半导体物理第六章复习北邮.docx

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半导体物理第六章复习北邮

第六章

一、基本概念

1.突变结:

杂质分布如下图所示，N型区中施主杂质浓度为ND，而且均匀分布；P型区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布。

在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的PN结称为突变结。

（突变结是由合金法得到的）

2.单边突变结:

实际的突变结，两边的杂质浓度相差很多，通常称这种结为单边突变结。

3.缓变结:

用下图表示用扩散法制造PN结（也称扩散结）的过程，它是在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制的PN结。

其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。

在这种结中，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。

线性缓变结：

在扩散结中，若杂质分布可用X=Xj处的切线近似表示，则称为线性缓变结。

4.结深：

5.扩散结：

用扩散法制造的PN结称为扩散结。

6.平衡PN结:

流过PN结的净电流为零，空间电荷区电荷数恒定，空间电荷区不再扩展，保持一定宽度时的热平衡状态下的PN结称为平衡PN结。

7.PN结空间电荷区:

两块半导体结合形成PN结时，由于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区、电子从N区到P区的扩散运动。

对于P区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，形成一个负电荷区。

同理，在N区形成一个正电荷区。

通常把PN结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。

它们所存在的区域称为空间电荷区。

（空间电荷区由于其能带图中的存在势垒的缘故被称为势垒区；空间电荷区由于内部载流子浓度比起N区和P区多数载流子的浓度都少得多，好像已经耗尽的缘被称为耗尽层。

）

8.PN结接触电势差:

平衡PN结的空间电荷区两端间的电势差VD称为PN结的接触电势差，或内建电势差。

9.PN结势垒高度:

平衡PN结的空间电荷区两端间的的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为PN结的势垒高度。

10.PN结势垒宽度:

势垒区在X上的宽度，即空间电荷区的宽度。

XD=XP+XN

11.耗尽层近似:

忽略空间电荷区载流子浓度，空间电荷区电荷密度等于电离杂质浓度，称为耗尽层近似，空间电荷区又称为耗尽层。

12.PN结正偏（正向偏压）:

PN结加正向偏压V（即P区接电源正极，N区接负极时），则PN结正偏。

13.PN结反偏（反向偏压）:

PN结加反向偏压V（即P区接电源负极，N区接负正时），则PN结反偏。

理想PN结模型:

①小注入--注入非平衡少子浓度比平衡多子浓度低得多；②耗尽层近似--空间电荷由电离施主、电离受主构成；③忽略N、P区体电阻和欧姆接触电阻—外加电压全部降落在空间电荷区；④忽略空间电荷区复合；⑤载流子服从玻耳兹曼计分布；

结论：

①PN结具有单向导电性；②温度对电流密度的影响很大③正向电流密度由PN结两侧杂质浓度比值决定④扩散长度越短、寿命越短，正向电流密度越大⑤禁带宽度越小，正向电流越大。

14.势垒电容:

PN结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的”存入”和”取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和电容器的充放电作用相似。

这种PN结的电容效应称为势垒电容，以CT表示。

势垒电容是多子变化引起的电容，是正向偏压下PN结主要电容。

15.扩散电容:

由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为PN结的扩散电容，用符号CD表示。

扩散电容是少子变化引起的电容，是反向偏压下PN结主要电容。

16.PN结雪崩击穿:

反向偏压增大到一定值时，反向电流突然无穷大，称为PN结击穿。

当反向偏压很大时，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，能把价键上的电子碰撞出来，成为导带电子，同时产生一个空穴。

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PN结击穿。

这就是PN结雪崩击穿。

雪崩击穿的特点:

①不仅与势垒区电场强度有关，还与势垒宽度有关。

若势垒很薄，即使电场强度高，载流子的加速距离很短，也不产生雪崩击穿。

②温度提高，晶格散射增加，载流子平均自由程缩短，击穿电压提高，具有正温度系数。

17.PN结隧道击穿:

反偏压使势垒区能带倾斜、导带到价带的水平距离变小。

反偏压很大时，P区价带电子能量高于N区导带底，价带电子隧穿到导带空量子态成为N区自由电子，称为隧道效应。

由于隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。

PN结隧道击穿的特点:

①PN结两侧掺杂浓度很高，容易发生隧道击穿；②击穿电压随温度升高而降低（负温度系数）；③禁带宽度随温度升高而减小，隧道长度随温度升高而缩短。

18.热击穿:

反向漏电流在PN结产生的功耗如不能及时散发，则PN结温度上升，反向电流增加，如此反复，功耗不断增加导致热电击穿。

19.隧道结:

由重掺杂的P区和N区形成的PN结通常称为隧道结。

20.隧道二极管峰值电流、峰值电压、谷值电流、谷值电压:

21.隧道二极管过量电流:

由于简并半导体带尾，电压达到谷电压时，N区导带和P区价带仍有量子态对应，N区导带带尾上的电子隧穿到P区带尾空量子态，形成过量电流。

二、图像

1.平衡PN结能带图

2.正向偏压下，PN结能带图

3.PN结电流-电压关系曲线

4.突变PN结电场分布图

5.隧道二极管电流-电压曲线

三、论述

1.平衡PN结的形成原理

当P型半导体和N型半导体结合形成半导体时，由于他们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。

P区的空穴离开留下带负电的不可移动的电离受主，n区的电子离开留下了带正电的不可移动的电离施主。

于是在PN结附近p区一侧出现了由电离受主构成的负电荷区，n区一侧出现了电离施主构成的正电荷区，他们共同形成了空间电荷区，同时形成了从n区指向p区的内建电场。

随载流子不断扩散，电离施主、受主增多，空间电荷区扩展，内建电场强度增强，载流子在内建电场下的漂移加强。

最终，载流子扩散和漂移动态平衡，流过PN结净电流密度为零，空间电荷区电荷量和宽度不再改变，电场强度稳定，中性P、中性N区之间形成稳定的内建（接触）电势差，形成平衡PN结。

2.平衡PN结的性质和特点

（1）扩散流等于漂移流。

（2）PN结的内建电势VD（N型区到P型区的电势差）（接触电势差））：

接触电势差，由PN结两边的掺杂浓度决定，与半导体材料的特性相关。

（3）PN结载流子浓度分布：

在空间电荷区边界（xp）处的载流子浓度分别等于p区平衡少子浓度和多子浓度；在空间电荷区边界（xn）处的载流子浓度分别等于n区平衡少子浓度和多子浓度。

1.载流子扩散和漂移动态平衡；

2.流过PN结净电流密度为零；

3.中间电荷区电荷量和宽度不再改变；

4.电场强度稳定；

5.中性P、中性N区之间形成稳定的内建（接触）电势差；

6.平衡PN结费米能级等于常数；

3.PN结势垒电容式如何形成的？

势垒电容与杂质浓度和杂质分布的关系？

当PN结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增强而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数目变少。

因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的减少是由于n区电子和p区空穴中和了势垒区中的一部分电离施主和电离受主。

即在外加正向偏压的增加的时候，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。

反之，在外加正向偏压减少时，势垒区宽度增加，空间电荷增多，有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。

PN结上外加电压的变化引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数目随外加电压而变化的电容效应即为势垒电容。

4.PN结扩散电容形成的原因

正向偏压（p区接正极，n区接负极）时，有空穴从p区注入n区，于是在势垒区与n区边界一侧的一个扩散长度内，便形成了非平衡空穴和电子的积累。

同样在p区也有非平衡电子和空穴的积累。

当正向偏压增加时，由p区注入到n区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了n区的空穴积累，增加了浓度梯度。

所以外加电压增加时，n区扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也要增加。

同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也要增加。

这种由于扩散区电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应即扩散电容。

5.用能带图说明隧道二极管电流-电压关系的对应机理（15分的简要论述+能带图）

在简并化的重掺杂半导体中，N型半导体的费米能级进入导带，P型半导体的费米能级进入价带。

两者形成隧道结后，在外加电压等于零时N区和P区的费米能级相等。

此时P区价带和N区导带虽然有相同能量的量子态，但是由于N区和P区的费米能级相等，在隧道结的两边，费米能级以下都没有空的量子态，费米能级以上的量子态都没有电子占据。

所以，隧道电流为零。

加很小的正向电压V，N区能带相对P区将升高qV，此时出现P区费米能级以上空量子态与N区费米能级以下电子占据态对准，N区导带电子则可能穿过隧道到P区价带，形成从P流向N的正向电流。

当正向电压逐渐加到峰值Vp时，P区空量子态与N区导带电子占据态对准越来越多，势垒高度也不断下降，更多的电子从N区穿过隧道到P区的空量子态中，隧道电流不断增大。

当达到峰值电压时，P区费米能级与N区导带底相等，N区导带电子穿过隧道到P区的电子浓度最大，隧道电流最大即达峰值电流。

当正偏压继续增大时，P区空量子态与N区电子占据态对准开始逐渐减少，使得N区导带中可能穿透隧道的电子数以及P区价带中可以接受穿过隧道的电子的空量子态均减少，隧道电流减小（负阻效应）。

正偏压增大到谷值电压时，N区导带底与P区价带顶相等，此时P区价带和N区导带中没有相同的量子态，不发生隧道穿透，隧道电流减少到零。

但实际上由于简并半导体带尾，电压达到谷值电压时，N区导带和P区价带仍有量子态对应，N区导带带尾上的电子隧穿到P区带尾空的量子态上，形成过量电流。

当正偏压超过谷值电压后，PN电流为扩散电流，与一般PN结相同。

当加反向偏压时，P区能带相对N区升高，P区费米能级以下电子隧穿到N区费米能级以上空量子态，形成反向电流。

且当反偏电压增加时，反向电流迅速增加。

6.雪崩击穿电压的温度特性及解释

答：

雪崩击穿具有正的温度特性。

温度提高，晶格散射增加，载流子平均自由程缩短，击穿电压提高，故具有正温度系数。

三、公式

1.突变结泊松方程

2.突变结空间电荷区宽度、电场强度、最大电场强度、电位求解

3.突变结势垒电容求解