北京大学：《半导体物理学 Physics of Semiconductors》课程教学资源（教案讲稿）第五章 半导体的PN结

第五章半导体PN结 前几章我们讨论了半导体及其载流子遵循的基本物理规律,如半导体材料 结构和基本性质、半导体的能带结构和载流子、载流子的分布规律、载流 子的输运或运动规律。后面几章将讨论在半导体的基本器件结构中,载流 子的输运和运动规律 据统计:半导体器件主要有67种,还有110个相关的变种 >所有这些器件都是由少数的基本模块构成 结 Source Gate Drain 金属一半导体接触 P(N) MOS结构 ource Gate Drain 异质结 超晶格 N(P-) \N+(P+) 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 ¾据统计：半导体器件主要有67种，还有110个相关的变种 ¾所有这些器件都是由少数的基本模块构成： 第五章 半导体PN结 前几章我们讨论了半导体及其载流子遵循的基本物理规律，如半导体材料 结构和基本性质、半导体的能带结构和载流子、载流子的分布规律、载流 子的输运或运动规律。后面几章将讨论在半导体的基本器件结构中，载流 子的输运和运动规律。 N+（P+） N+（P+） P-（N-） Source Gate Drain N+ (P+) N+ (P+) Source Gate Drain N－ (P－) •pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格

§5.1平衡PN结 PN结的形成和平衡能带图及自建势 空间电荷区和耗尽近似 泊松方程和电势、电场分布 §5.2偏置PN结及其Ⅳ特性 偏置PN结能带图和准费米能级 偏置PN结的载流子分布和电流输运 偏置PN结的瞬态特性 §5.3PN结电容 耗尽电容 扩散电容 §5.4PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 § 5.1 平衡PN 结 PN结的形成和平衡能带图及自建势 空间电荷区和耗尽近似 泊松方程和电势、电场分布 § 5.2 偏置PN结及其IV特性 偏置PN结能带图和准费米能级 偏置PN结的载流子分布和电流输运 偏置PN结的瞬态特性 § 5.3 PN结电容 耗尽电容 扩散电容 § 5.4 PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳击穿

§5.1平衡PN结 所谓N结是P和N型半导体接触形成的基本结构 511PN结的形成 I. Fabrication by Diffusion 实际的PN结是利用掺杂的补偿效应 PREDEP compensated)形成的 扩散 2.注入 N(x, t=N erfc P-NJunction Formation IMPLANT Q 2r△R DRIVE- ++ Nx1=不页 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 5.1.1 PN结的形成 § 5.1 平衡PN结 1. 扩散 2. 注入 实际的PN结是利用掺杂的补偿效应 (Compensated) 形成的 所谓PN结是P和N型半导体接触形成的基本结构

§5.1平衡PN结 5.1.1PN结的形成 两种理想的PN结构 突变结 线性缓变结 N(x) N(x) Nd(x) Na(x) X 突变结 线性缓变结 适里禱洗 法结扩散和外延 适用于深结扩散(Xj>3um) 祝(xj<1um) 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 5.1.1 PN结的形成 § 5.1 平衡PN结 突变结 线性缓变结 两种理想的PN结构

512ⅨN结的平衡能带图 注意:1不变量;2变化量;3真空能级和导带连续 能带图中 4费米能级与导带及载流子浓度的关系。 的各参量 E x电子亲和势 electron affinity),是材料参数 qx q吹|qn 小:半导体功函数 E (workfunction) Efp 与材料和掺杂有关 P·type N·type 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 注意：1 不变量；2 变化量；3 真空能级和导带连续； 4 费米能级与导带及载流子浓度的关系。 5.1.2 PN结的平衡能带图 χ: 电子亲和势(electron affinity)，是材料参数 φs: 半导体功函数 (workfunction) φsn、φsp 与材料和掺杂有关 能带图中 的各参量

512ⅨN结的平衡能带图 接触形成PN结时 N型半导体中的电荷等 Band diagrams at上 quilibrium价为可以自由运动的电 子载流子和正的固定电 q 荷(施主电离杂质), 在均匀掺杂情形下,保 主续持电中性 P-type N- type P型半导体中的电荷等 Ec 价为可以自由运动的空 载流子和负的固定电 Ey 土非荷(受主电离杂质) 在均匀掺杂情形下,保 持电中性; Ec 在形成PN结时,由于费 注主米能级不一致,将发生 Ey 中性区耗尽区!中性区 载流子的再分布调整; 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 接触形成PN结时 •N型半导体中的电荷等 价为可以自由运动的电 子载流子和正的固定电 荷（施主电离杂质）， 在均匀掺杂情形下，保 持电中性； •P型半导体中的电荷等 价为可以自由运动的空 穴载流子和负的固定电 荷（受主电离杂质）， 在均匀掺杂情形下，保 持电中性； •在形成PN结时，由于费 米能级不一致，将发生 载流子的再分布调整； 5.1.2 PN结的平衡能带图

512ⅨN结的平衡能带图 接触形成PN结时 Band Diagrams at equilibriun·载流子的再分布,是通 过N型区电子与P型区空 q 穴的流动和复合实现的, 将导致部分区域电中性被 平衡而形成电场; P- type N.type6±±于王 N型区失去电子和P型区 Ec 失去空穴后将遗留下不导 王王王王王王于±王王 电的固定电荷组成空间电 荷区 空间电荷区的电场将引 E 起电势的变化,使得费米 +±±+ 能级及能带发生变化 Ey 中性区耗尽区!中性区 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 接触形成PN结时 •载流子的再分布，是通 过N型区电子与P型区空 穴的流动和复合实现的， 将导致部分区域电中性被 平衡而形成电场 ； •N型区失去电子和P型区 失去空穴后将遗留下不导 电的固定电荷组成空间电 荷区； •空间电荷区的电场将引 起电势的变化，使得费米 能级及能带发生变化。 5.1.2 PN结的平衡能带图

§5.1平衡PN结的特征 512平衡PN结的能带图 达到平衡时 费米能级达到一致 漂移电流=扩散电流 aE aE dE =un Fn=u,n aE 0 0 0 OX aX x 半导体中常用电势的定义 势,y=-E 本征费米势 E q 费米势:W 相对费米势:2=v=v 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 5.1.2 平衡PN结的能带图 § 5.1 平衡PN结的特征 半导体中常用电势的定义 电势： 本征费米势： q Ef ψ f −= q Ei ψ i −= q ψ −= E 费米势： 达到平衡时 •费米能级达到一致 •漂移电流＝扩散电流 = 0 dx dE F = 0 ∂ ∂ = ∂ ∂ = x E n x E nj F n Fn nn μμ =0 ∂∂ = ∂∂ = xE p xE pj F p Fp pp μμ 相对费米势： φ =ψ −ψ fiB

§5.平衡PN结的特征 512平衡PN结的能带图 N型和P型半导体中的相对费米势表示为 q 中n=E-Eh=kTl kIN -a qdn=Efn-Ein=kT l ≈kTl 相应的载流子浓度表达式 n=neler-eilkshge v//kt =neqdg/kT E -EkT qlvr-vi)kT p=n, e n, e n, e qds/kr 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 5.1.2 平衡PN结的能带图 § 5.1 平衡PN结的特征 ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ ≈⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ =−= id in infnn nN kT nn kTEEq ln ln 0 φ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ ≈⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ =−=− ia ip fpipp nN kT np kTEEq ln ln 0 φ N型和P型半导体中的相对费米势表示为 ( ) ( ) kTq i q kT i kTEE i if fi B enenn en / / ψψ / φ = = = − − ( ) ( ) kTq i q kT i kTEE i fi if B enp en en / − / −ψψ / − φ = = = 相应的载流子浓度表达式

§5.1平衡PN结的特征 5.1.2平衡PN结的能带图一自建势 PN中总的电势变化称为( Built-in Potential)。由于在p和m的中性区,电势 为常数,因此,电势变化发生在空间电荷区,自建势为p和m区的电势差,可 表征为本征费米势的差。正是由于自建势的作用,使得p和m区的费米能级达 到一致。 平衡态能带图 kT, N n +In kT.NN qhi=e kIN nn ppo =kIN Ppo=kIn nino P nino oppO 北京大学微电子学研究所

北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 5.1.2 平衡PN结的能带图－自建势 § 5.1 平衡PN结的特征 ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ =⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ =⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ =−= 00 00 2 0 ln ln ln pn np i pno inipbi nn kT pp kT npn ψ kTEEq 平衡态能带图 2 ln lnln i ad i a i d pnbi n NN q kT n N n N q kT = ⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡ ψ φφ =−= + PN中总的电势变化称为（Built-in Potential) 。由于在p和n的中性区，电势 为常数，因此，电势变化发生在空间电荷区，自建势为p和n区的电势差，可 表征为本征费米势的差。正是由于自建势的作用，使得p和n区的费米能级达 到一致。 2 0000 == npnpn ippnn