半导体器件原理Chapter6

电工电子技术基础第2版第6章半导体器件

再到PN结形成过程和导电特性，让学生了解事物之间是
普遍联系观点。温度对三极管静态工作点影响，如同哲
学上量变与质变的辩证关系。量变引起质变以此引申至
“不以恶小而为之，不以善小而不为”人生哲理，教育
学生树立正确的人生观和价值观。
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第6章半导体器件——半导体基础知识
6.1 半导体基础知识
e内
N区多子浓度差
扩散运动内电场漂移运动
空间电荷区阻挡层 /耗尽层
漂移运动扩散运动
动态平衡
空间电荷区（称为PN结）的宽度就固定下来。
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第6章半导体器件——PN结
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第6章半导体器件——PN结
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第6章半导体器件——半导体基础知识
根据导电能力(电阻率)的不同，物体分为: 导体导体内部有许多脱离原子核束缚的自由电子，金属
是导体，导电能力强。绝缘体绝缘体不能通过电流，橡胶、塑料和干燥的木材为绝
缘体。半导体导电特性处于导体和绝缘体之间的物体，如硅Si、
锗Ge元素和砷化镓GaAs等化合物。
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第6章半导体器件——半导体基础知识
一、本征半导体纯净的半导体
共价键
+4
正离子核
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
价电子共价键中的两个电子
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第6章半导体器件——半导体基础知识
半导体受到温度升高或光照的激发时，外层价电子会脱离原子核的束缚成为自由电子。

半导体物理_第六章_pn结

Jn dEF dx n n
qDp dEF J p p0 kT dx
电流密度与费米能级的关系对于平衡的pn结，Jn, Jp均为零，因此，
Jp dEF dx p p
EF=常数
qDp dEF J p p0 kT dx
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方， EF随位置变化小，而载流子浓度小的地方， EF随位置变化较大。
非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。
注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。
扩散电流〉漂移电流
根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界面的总电流是相等的。只是电子电流和空穴电流的比例不同。总电流=扩散电流+漂移电流
反向偏移下，非平衡状态外加反向电场与内建势场方向一致。
1. pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：
EFn Ei n p ni exp( ) k0T EFn EFP n p p p ni exp( ) k0T
2
p p ni exp(
Ei EFp k0T
)
在pp’边界处， x=-xp, qV=Efn-Efp,
qV n p ( x p ) p p ( x p ) ni exp( ) k0T
电子电势能-q V(x)由n到p不断升高 P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。直到具有统一费米能级 pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。
动态平衡时
本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致
k0T n Dn q
k0T n Dn q
同理，空穴电流密度为：
qV x p ( ) 0 2. 加反向偏压下，如果qV>>k0T, e k0T

半导体物理与器件第六章2

对于非本征掺杂与小注入条件的情况，对于上述非线性的双极输运方程，我们可以利用非本征半导体材料和小注入条件来对其进行简化和线性化处理。
根据前面的推导，双极扩散系数D’可表示为：
D' DnDp[(n0 n) ( p0 p)] Dn (n0 n) Dp ( p0 n)
考虑P型半导体材料则： p0 n0
Lp
LP
所以对厚样品可得： A ( p)0 B 0
所以：
p(x)
p0
exp(
x Lp
)
p(x)
p0
exp(
x Lp
)
△p po
该式说明非平衡载流子向内部按指数衰减
当 x=Lp时 p p0
p0 e
e
非平衡载流子的平均扩散距离为
0
Lp x
x
xp(x)dx
0
p(x)dx
x exp(
x
)dx
5.391013 s
在4τd时间后，即4ps，
可基本达到电荷平衡，即净 (0)
电荷为0，与过剩载流子寿命（约0.1µ s）相比，该过程非常迅速。这证明了准电
中性条件是非常容易实现的。 (0)
e
0τ
t
双极输运方程的应用
下面用双极输运方程来讨论一些具体的实例， pn结等半导体器件所遇到的工作状态与这些例子设定的条件是相似的，是我们随后学习pn结以及相关器件的基础
对电流方程求散度，并利用泊松方程：
J E
代入连续性方程：
d t dt
d
dt
0
该方程容易解得：
t 0et /d
d
介电常数
电导率
介质驰豫时间常数
例6.6 n型Si掺杂浓度为1016，计算该半导体的介电驰豫常数。

Chapter_6_x

(n型) 状态密度；EA施、（6-18）
电离能。
显然，温度升高，载流子浓度急剧增加。
迁移率主要受电离杂质散射的影响，随温度升高，迁移率增
加，当电离杂质浓度为Ni 有
qT 3 2 μi * m BN i
（6-20）
结果使电阻率随温度升高而下降，为负的温度系数。

当温度升高到室温附近，杂质全部电离，载流子浓度等于掺杂浓度，本征激发还不明显，可认为载流子浓度不随温度变化；迁移率则主要受晶格散射影响，表示为： q （6-21） μ
在规定温度下热敏电阻的电阻值。在环境温度为25℃±0.2℃时测得的阻值，为标称电阻 R25，常称冷阻。
（2）零功率电阻温度系数αT
在规定温度下，热敏电阻的零功率电阻随温度的变化率与其电阻值之比，可表示为：
αT
= 1 / R · dRT / dT ) (
%℃-1
（3）耗散系数 H ：
H = Δ功率耗散 /Δ电阻温度
第6章半导体温敏器件
本章主要论述半导体陶瓷、Si、Ge、SiC 热敏
电阻及晶体管温度敏感器的工作原理和特性
6.1 温度传感器的发展
6.2 半导体陶瓷热敏电阻
6.3 Ge、Si 及 SiC 单晶热敏电阻
6.4 pn 结及晶体管温敏器件
6.5 集成温度传感器
6.1 温度传感器的发展

气体温度计、双金属温度计、压力式温度计、玻璃温度计，铜、铂镍金属电阻体和各种热电偶半导体陶瓷热敏电阻、单晶半导体 Ge 、Si 、 SiC 热敏电阻以及 p-n 结或晶体管温敏器件水晶温度传感器、热噪声温度传感器、超声波温度传感器非接触型温度传感器 ……
N+

半导体物理学第6章(pn结)

Ei Ev
Ec Ei
Silicon (n-type)
Ef
Ev
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度
③接触电势差: ♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD ♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:
kT nn 0 kT N D N A VD ln ln 2 e np0 e ni

④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。
准中性区载流子浓度
理想二极管方程
求解过程
准中性区少子扩
散方程求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(-xp)
理想二极管方程(1)
新的坐标:
d pn pn 0 Dp 2 dx' p
2
-xp
xn
x
X’
边界条件:
0
pn ( x' ) 0 ni2 qVA / kT pn ( x' 0) e 1 ND
图629正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升达到一个极大峰值电流i随后电压增加电流反而减少达到一个极小谷值电流i当电压大于谷值电压后电流又随电压而上升图6270点平衡pn结1点正向电流迅速上升2点电流达到峰值3点隧道电流减少出现负阻4点隧道电流等5点反向电流随反向电压的增加而迅速增适当波长的光照射到非均匀半导体上由于内建场的作用半导体内部可以产生电动势光生电压光生伏特效应是内建场引起的光电效应

哈工大器件原理第六章JFE

a
a
S
D
G
P+
n
x0
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
VDS
VGS
a
L
h1
h2
a
ID
In(y)
y
x
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松方程求解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压(包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度Xn(y)之间有如下关系：
肖克莱理论和JFET的直流特性
JFET的直流参数
JFET交流小信号参数
非均匀沟道杂质浓度分布
四极管特性
高场迁移率的影响
关于沟道夹断和速度饱和
串联电阻的影响
温度对直流特性的影响
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
肖克莱(Shockley)1952年关于JFET的理论至今仍是分析JFET和MESFET各种理论的基础。 JFET在工作时，由于栅源电压和漏源电压同时作用，沟道中电场、电位、电流分布均为二维分布(如果认为沟道无限宽)，方程求解非常复杂，肖克莱提出的缓变沟道近似模型很好地简化了这个问题。该模型的基本核心点是： ①假定沟道中电场、电位和电流分布均可用缓变沟道近似，(即沿沟道方向缓慢变化) ②认为漏极电流饱和是由于沟道夹断所引起。
输入电阻
结型场效应晶体管有较高的输入电阻，且该电阻与温度、反向偏压及辐照等因素有关。
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 JFET的直流参数在功率器件中，由于漏源电压很高，在沟道中形成的强电场将有可能使漂移通过沟道的载流子获得足够高的能量去碰撞电离产生新的电子-空穴对，新产生的电子继续流向漏极，使漏极电流倍增，而空穴则被负偏置的栅电极所收集，使栅极电流很快增长。因而，在高漏源偏置的功率JFET中，往往存在着超量栅极电流。在短沟道器件中，由于沟道电场强，更容易出现载流子倍增效应。

第六章半导体

精品文档
由于典型半导体材料的价带结构比导带复杂，类氢受主能级的理论比施主(shīzhǔ)能级要复杂些。
类氢杂质的电离能很小，它们往往是这些材料中决定导电性的主要杂质。施主(shīzhǔ)（或受主）能级很靠近导带（或价带），因此这类杂质称为浅能级杂质。
在Si中的几种浅能级杂质
杂质类型
施主
受主
元素
原子，相当于在杂质出多一个负电荷，同时少了一个电子，即多一个空穴，这个空穴正好被负电荷所束缚。这种情况同样类似于
氢原子的情况，只是正负电荷互换了。受主能级位于价带顶EV 以上的EA处。空穴的电离相当于在价带中产生一个自由运
动的空穴。在能带中就表现为用EA的能量将价带顶的一个电子激发到受主能级上，从而在价带顶产生一个自由空穴。
{ 电子能量差＝光子能量声子能量光子能量
ke ke kp q q
由此可以看出，在非竖直跃迁过程中，光子主要提供电子 (diànzǐ)跃迁所需的能量，而声子则主要提供跃迁所需的准动量。与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率比竖直跃迁的几率小得多。
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直接(zhíjiē)带隙半导体：导带底和价带顶在k空间中的同一点。间接带隙半导体：导带底和价带顶在k空间中的不同点。
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其中 (qízhō
rd
4 0
me2
2
m m
a0
n与g氢) 原子的玻尔半径a0相比，rd增大(zēnɡ dà)了(m/m*) 倍。
因此， rd >> a0，这意味着类氢施主的波函数是相当扩展的。
对于受主杂质所形成的杂质能级也可做类似的讨论，
如在Si中掺入少量的Ⅲ族元素（Al），一个Al原子替代一个Si

第六章PN结

正向偏置非平衡少子和电流的分布
电子积累电场方向空穴积累
P
n
P
n
a. 少子的分布
pn
电流的分布
（4）势垒区电场的改变破坏了平衡时载流子扩散流与漂移流的动态平衡。反偏时：电场增强，漂移流大于扩散流，即在（-xp）处被电场驱赶过结区到达n区的电子多于从n区扩散过来的电子，造成-xp处电子（少子）的浓度低于平衡时的浓度；同样在xn处，电场扫过结的空穴多于从p区扩散来的空穴，造成xn处空穴浓度下降，这一过程称为空穴的抽出，在-xp和 xn处少子的减少，分别由各自体内扩散来补充，最终形成稳定分布。
（3）正向大注入效应
• 当正向偏压比较大时，注入的少子浓度可以相当大，以至 ∆pn(xn)≥ nn0 ∆ pp(-xp)≥pp0 接近或超过原多子浓度。由于介电驰豫作用，要保持电中性，也有同样浓度的多子积累： ∆pn(xn)= ∆nn(xn) ; ∆ pp(-xp)= ∆ np(-xp) 注入的非平衡载流子向体内扩散，但由于电子和空穴的扩散系数不同，又破坏了电中性，在扩散区内产生自建电场，此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动，同时又加快扩散得慢的空穴的运动，从而使两者的浓度梯度基本保持一致。
方法和步骤：（1）写出N区和p区的扩散方程（2）边界条件（3）求解方程得到少子分布函数表达式（4）由少子分布函数求出流过pn结的电流 Ip和In
扩散方程和边界条件
pn结定律:
np pp = n e
2 i
E Fn − E Fp kT qV 2 kT i
n p (− x p ) p p (− x p ) = n e n qV n p (− x p ) = e N A kT n p n ( xn ) = e ND

半导体物理课件：第六章 p-n结

当存在外间电压时，电压主要降落在这个势垒区，而扩散
区和中性区几乎没有。
16
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.2 p-n结电流电压特性
6.2.1 p-n结电场和电势泊松方程
何为泊松方程? 其来历? 反映一定区域电势、电场、电荷之关系。
由麦克斯韦方程的微分形式：
D
D r0E
dV 2
6.2.3 理想p-n结的电流电压关系
计算电流密度方法 – 计算势垒区边界处注入的非平衡少子浓度，以此为边界条件，计算扩散区中非平衡少子的分布 – 将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出扩散密度，再算出少数载流子的电流密度 – 将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式
2
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
引言
6.1 p-n结及其能带图 6.2 p-n结电流电压特性 6.3 p-n结电容 6.4 p-n结击穿 6.5 p-n结隧道效应
3
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.1 p-n结及其能带图
6.1.1 p-n结的形成及杂质分布
p型半导体和n型半导体结合，在二者的交界面形成的接触结构，就称为p–n结。
空穴漂移电子扩散
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电子漂移空穴扩散
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.2.2 非平衡p-n结的能带图
反向偏压V
(p负，n正，V<0)
外加电场n→p 内建场n→p →外加电场加强了内建场的强度，势垒升高
→n区的EF低于p区的EF
p区电子被不断的抽走 ——少子的抽取
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2020/9/30

半导体物理第六章 pn结ppt课件

E E cn x n n exp( ) x n 0 k T 0
qV ( x ) qV D n ) n 0exp( k T 0
当 X=Xn时，V(x)=VD,
n(x)=nn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, n(-xp)=nn0
qV D n ( x ) n n exp( ) p p 0 n 0 k T 0
产生漂移电流
6.1.3
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。
最后，Pn具有统一费米能级EF,
EFn不断下移，EFp不断上 Pn结处于平衡状态。移,直到EFn=EFp，
能带发生整体相对移动与pn结空间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，
使漂移电流〉扩散电流
少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被势垒区强场驱向p区， p区边界pp’处的电子被驱向n 区。
qV D p p exp( ) n 0 p 0 k T 0
平衡时，pn结具有统一的费米能级，无净电流流过pn结。 1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流子浓度很大，电阻很小；外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与内建电场方向相反，产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小；载流子扩散流〉漂移流，净扩散流〉0 ；宽度减小；势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)
高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度的p型薄层。
P型杂质浓度NA,
n型杂质浓度ND,
特点：交界面浓度发生突变。
在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为缓变结。