p-n结课件

wn
1 Emaxw 2
耗尽区宽度主要由轻掺杂浓 度决定
讨论
• 外加偏压引起耗尽区宽度的变化
2 s N A N D w wn w p ( )(Vbi V ) q N AN D when N A N D , 2 s (Vbi V ) w qND
耗尽区势垒电容---集成电路中的电容器 （pn 结反偏电容器）
耗尽层电容的C-V特性
• 耗尽层单位面积电容:
dQ dQ dQ s Cj dV wd dE wd dQ / wd
考虑单边突变结
2 s (Vbi VR ) 1 / 2 wd [ ] ; qND qND s 1 / 2 Cd A A[ ] wd 2(Vbi VR ) VR 1 / 2 Cd (0)(1 ) ; Vbi Cd (0) A[ qND s 1 / 2 ] 2Vbi
Cd A
s
wd
A
s
wn wp
讨论
• 单边突变结 特点:pn结一侧掺杂浓 度远高于另一侧.
w wn w p 2 s N A N D ( )Vbi q N AN D
when N A N D , w 2 sVbi qND
wp
Vbi E ( x )dx
dQC 电容的基本定义: C dVC
the capacitance of the reverse-biased P-N junction :
Cd s
A
d
• The area of the pn junction • The depletion layer width • Si dielectric permittivity
提纲
• • • • • • • 集成电路中p-n结的基本结构 p-n结在电路中的基本应用 p-n结的能带图 p-n结中的空间电荷分布与结电容C-V特性 Pn结中载流子分布及理想p-n结的I-V特性 pn结中二次效应对I-V传输特性的影响 异质结
p-n结的能带图
•零偏压时p-n结的能带图
无接触时
n ni exp(
P-n结在集成电路中的基本结构
cathode anode
p-n结在电路中的基本应用
2.6.1 整流器
Two states: on (negative voltage →open circuit)
off (positive current →short circuit)
forward-biased diode reverse-biased diode
s
1 2(Vbi V ) 2 q s N D Cj
测量曲线图斜率可求出 基底掺杂浓度 V=0值求内建电势值
例：一硅突变结，Na=2x1019/cm2, Nd=8x1015/cm2,计算室温下0偏压和反向偏 压为4V时的结电容。
• 例二: 线性缓变结
ch arg e
wd wd qax , x 2 2
x wp 0, qN A , - wp x 0 2 d s 2 dx s qND , 0 x w n s x wn 0,
耗尽区宽度与结电容：
2 sVbi wn ; qND [1 N D / N A ] 2 sVbi wp ; qN A [1 N A / N D ] 2 s N A N D w wn w p ( )Vbi q N AN D
目录
• • • • • 第一章 半导体物理学和半导体性质概要 第二章 p-n结二极管 第四章 金属-半导体接触 第六章 金属-绝缘体-半导体电容 第八章 太阳能电池物理
Ch2 p-n结
集成电路中的电阻
• 电阻的基本表达式
A current I depends on : (1)
(2)
V 1 0
提纲
• • • • • • • 集成电路中p-n结的基本结构 p-n结的能带图 p-n结中的空间电荷分布与结电容C-V特性 Pn结中载流子分布及理想p-n结的I-V特性 pn结中二次效应对I-V传输特性的影响 p-n结在电路中的基本应用 异质结
提纲
• 集成电路中p-n结的基本结构
• • • • • p-n结在电路中的基本应用 p-n结的能带图 p-n结中的空间电荷分布与结电容C-V特性 Pn结中载流子分布及理想p-n结的I-V特性 pn结中二次效应对I-V传输特性的影响
p-n结中的空间电荷分布与结电容
• 耗尽区的概念
•耗尽区只有空间电荷，无 移动载流子存在； •耗尽区离子浓度与掺杂有 关； •正偏时耗尽区宽度变窄；
•反偏时耗尽区宽度变宽
耗尽区宽度w求解 （利用泊松方程加边界条件）
dE d 2 2 dx dx s
例一：突变结
（结左右电荷密度分布均匀）
ch arg e qa d 2 x ; 2 dx s s
d qa 2 E x C1; dx 2 s wd qa 2 x , E 0 C1 wd 2 8 s qa 2 qa 2 E wd x 8 s 2 s
qa x 3 w ( x) [ ( d ) 2 x ] C 2; 2 s 3 2 w w qa wd x d , ( d ) 0 C 2 ; 2 2 s 24 qa x 3 wd 2 wd ( x) [ ( ) x ]; 2 s 3 2 12 w qawd Vbi ( d ) ; 2 12 s wd ( 12 sVbi 1 / 3 ) qa
EF Ei ) ) kT
Ei E F ) p ni exp( ) kT
接触时
For a system in thermal equilibrium, the Fermi level is constant throughout the system.
The energy-band diagram of unbiased P-N junction is constructed in the following way: (the current flowing through the circuit is equal to zero)
Bent lines express the existence of an electric field = -dφ/dx
内建电势 Vbi, (build in voltage)
Potential-energy difference = qVbi Example 2.1 Built-in voltage equation Express the built-in voltage Vbi of a P-N junction in terms of the doping concentrations ND and NA.
电导

Sheet resistance:
方块电阻
1 RS xj xj
L R RS W

xj
0
( x)dx ( x)dx
0

Average conductivity:
1 xj



0
( x)dx
Sheet resistance:
RS
1
xj

• 例子1： 用一个方块电阻为200Ω/□的层设计一个 3.5kΩ的电阻。该集成电路工艺所能达到的 最小尺寸为1微米. • 例子2： 设计一个0.5kΩ的电阻,有四种工艺层可以选 择，你应该选择哪一种？ Rs1=5 Ω/□; Rs1=200 Ω/□; Rs1=1.5 kΩ/□; Rs1=4 kΩ/□;
1. The Fermi level line is drawn first. (constant)
2. The conduction and valance bands are drawn for the N-type and P-type neutral region. (nothing changed) 3. The conduction- and valence-band levels are joined by curve lines to complete the diagram.
Vbi =
kT N D N A ln q ni2
•反向偏压下pn结的能带图
The energy-band diagram of reverse-biased P-N junction is constructed in the following way: (the current flowing through the circuit doesn’t increase with increase in the reverse-bias voltage) 1. Quasi- Fermi level lines separated by qV are drawn first. (the lower line is for the N-type region) 2. The conduction and valance bands are drawn for the N-type and P-type neutral region. (nothing changed) 3. The conduction- and valence-band levels are joined by curve lines to complete the diagram. The increased voltage increases the slope of the energy bands, but this doesn’t produce any additional electrons (or holes) rolling down (bubbling up) along the slope of the bands.