半导体物理六单元1节.pptVIP

* 线性缓变结电容 线性缓变结概念：对于较深的扩散结，在结附近其电荷分布为线性，可以近似作为线性缓变结。 线性缓变结电容 也采用耗尽层近似，则势垒区的空间电荷密度为： 电势分布表达式：解泊松方程，利用结边界电场为零，设结中心处电势为零条件 外加电场时： 单位截面电容的电荷量： 单位面积电容 线性缓变结特点： 势垒电容和结面积及杂质浓度梯度的立方根成正比，因此减小结面积和降低杂质浓度梯度有利于减小势垒电容； 势垒电容和电压的立方根成反比，增大反向电压，电容减小。 势垒电容和电压关系，可用来测定杂质浓度及梯度分布。 缓变结电荷、电场、电势、电势能分布图 扩散电容 概念 p-n结加正向偏压时，由于少子的注入，在扩散区内有一定数量的少子和等量的多子的积累，而且它们的浓度随正向偏压的变化而变化，从而形成了扩散电容。 扩散电容计算 注入到n和p区非平衡少子浓度分别为： 扩散区内积分得到扩散区电荷积累量： 单位面积扩散电容 单位截面积总的扩散电容为 扩散电容特点 这里用的浓度分布是稳态公式，所以应用于低频情况，扩散电容随频率的增加而减小。 扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容便起主要作用。 对单边突变结如p＋-n而言， np0pn0, C～CDn 4. p-n结击穿 概念 实验显示，对p-n结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为p-n结击穿。发生击穿时的反向偏压称为p-n结的击穿电压。 击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。 p-n结击穿机理：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿 雪崩击穿 在反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。 反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价带上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。从能带观点来看，就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子—空穴对。 雪崩击穿 载流子(电子和空穴)在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子—空穴对。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流于的方式称为载流子的倍增效应。 由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生p-n结击穿。这就是雪崩击穿的机理。 隧道击穿(齐纳击穿) 概念：隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带引起的一种击穿现象。因为是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫齐纳击穿。 机理 p-n结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，内建电场也超强，势垒区能带也越加倾斜，甚至可以使n区的导带底比p区的价带顶还低。内建电场E使p区的价带电子得到附加势能qEx； 当内建电场E大到某值以后，p区价带中的部分电子所得到的附加势能qEx可以大于禁带宽度Eg。随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加倾斜，相同能量的p区的价带电子和n区的导带上电子水平距离△x将变得更短。 当反向偏压达到一定数值，△x短到一定程度时，量子力学证明p区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达n区导带中。 隧道几率是： 式中E(x)表示点x处的势垒高度，E为电子能量,x1及x2为势垒区的边界。 电子隧道穿过的势垒可看成为三角形势垒。一定的半导体材料势垒区中的电场愈大，或隧道长度△x愈短，则电子穿过隧道的几率愈大。当电场E大到或△x短到一定程度时，将使p区价带中大量的电子隧道穿过势垒到达n区导带中去，使反向电流急剧增大，于是p-n结就发生隧道击穿。这时外加的反向电压即为隧道击穿电压(或齐纳击穿电压)。 势垒区导带底斜率 而这个斜率也可以表示为 所以 其中 在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。而杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。 热电击穿 当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，上升速度很快。因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和流密度进一步增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。 窄禁带宽度半导体在室温下出现