微电子器件基础 PN结二极管 知识讲稿.ppt

1 电子器件基础 湖南大学电子科学与技术专业 2 第1章 PN结二极管 PN结是结型半导体器件的心脏； 在制造晶体二极管，晶体三极管和场效应晶体管等结型器件时，其主要工艺就是制造性能良好的PN结； 深入地了解和掌握PN结的基本理论是学习晶体管等结型器件原理的基础。 3 1.1 PN结杂质浓度分布 1.2 平衡PN结 1.3 PN结空间电荷区电场和电位分布 1.4 PN结势垒电容 1.5 PN结直流特性 1.6 PN结小信号交流特性与开关特性 1.7 PN结击穿特性 本章内容： 4 掌握PN结的形成、杂质分布，空间电荷区的能带、电场、电位分布，直流特性的物理机理和数学表达式，电容和小信号交流特性，开关特性和击穿特性； 理解泊松方程、连续性方程、电荷控制方程的物理意义和解法。 本章要求： 5 第1节 PN结杂质浓度分布 p (n) PN结的结构 在n(p)型半导体上以适当方法(合金、扩散、外延、注入)掺入p(n)型杂质形成pn结 8 扩散法形成PN结 根据扩散工艺中杂质源的不同，杂质浓度分布有两种形式 ： N-Si 9 （1）恒定源扩散 表面杂质浓度恒定不变，杂质分布为余误差分布： 10 （2）限定源扩散 杂质总量限定，杂质浓度分布为高斯分布： 11 缓变结 PN结两边杂质分布变化； xj 处杂质缓慢变化； 表面浓度NS高； 衬底材料浓度NBC最低。 线性缓变结： PN结交界处（xj）杂质浓度缓慢变化为线性关系。 12 扩散结杂质浓度梯度 杂质浓度在结深 xj 处变化的程度，用αj表示： 如NS小， xj大，则αj小，可作线性缓变结近似。 如NS大， xj小，则αj大，可作突变结近似。 13 第2节 平衡PN结 1 空间电荷区 P型：杂质原子 ——空穴正电荷 + 负离子电荷 N型：杂质原子 ——电子负电荷 + 正离子电荷 处于电中性平衡状态，ni2 = pp np = nn pn ——没有任何外加作用的PN结 14 交界处附近，P区的空穴向N区扩散，留下负离子电荷——受主离子电荷（杂质原子放出空穴即接受电子）； N区的电子向P区扩散，留下正离子电荷——施主离子电荷（杂质原子放出电子）。 在一块半导体不同区域通过工艺形成P型和N型 15 自建电场E：在PN结形成时，空间电荷区正、负电荷之间建立电场，方向为N指向P。 16 动态平衡：载流子的扩散运动（杂质浓度梯度决定）和漂移运动（电场决定）作用相等，净电流为 0。 17 2 能带图 反映材料的导电特性 单独的P、N型半导体， 禁带宽度Eg反映材料导电能力的大小； 费米能级EF反映材料的导电类型和掺杂浓度的大小。 18 平衡态PN结 PN结无外加作用，可证明有统一的费米能级EF （见书P7） ； 电场E使能带弯曲qVD ——势垒高度(势垒区) ； 空间电荷区能量变化，两端有电势差VD ——接触电势差； 空间电荷区外无电场，能量与电势不变。 19 20 3 接触电势差VD 21 4 载流子浓度 22 第3节 PN结空间电荷区电场和电位分布 杂质分布→电场和电位分布→PN结的特性； 讨论两种典型情况：突变结，线性缓变结。 耗尽层近似： 1、空间电荷区内不存在自由载流子，只有施主离子和受主离子，即自由载流子耗尽； 2、空间电荷区边界“突变”，边界及以外的中性区电荷为零。 23 根据电学高斯定律，推导出泊松方程： 即电势、电场与电荷（杂质）的关系，与材料有关。 电子器件分析的基本方程 24 1 突变结 25 利用边界条件求解泊松方程（积分） 26 电场分布： 27 28 电位分布 29 空间电荷区宽度 30 2 线性缓变结 31 32 3 耗尽层近似讨论 耗尽层近似存在哪些局限? 33 P+N单边突变结可推得： 34 第4节 PN结势垒电容 正向电压值增加（反向电压值降低），势垒宽度xm减小，载流子注入与空间电荷中和，空间电荷Q 减少，CT充电。 正向电压值降低（反向电压值增加），势垒宽度xm增加，载流子从势垒区放出，空间电荷Q 增加，CT放电。 35 1 突变结势垒电容 CT 相当于可变的平行板电容，与A成正比，与xm(随VA变化)成反比； NBC低，xm宽，CT小； A大，CT大； 正偏CT大，反偏CT小。 36 2 线性缓变结势垒电容 正偏下，正向注入载流子浓度高于平衡值，耗尽层近似与实际偏离较大，应予修正。 37 扩散结 实际扩散结载流子浓度分布为余误差函数或高斯函数，势垒电容计算复杂； 在耗尽层近似下，由计算机计算出各种不同条件下实际扩散结的杂质分布，求出势垒宽度与势垒电容随电压变