《半導(dǎo)體物理學(xué)ppt課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《半導(dǎo)體物理學(xué)ppt課件.ppt（127頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、半導(dǎo)體物理SEMICONDUCTORPHYSICS 1 第六章p n結(jié) 1p n結(jié)及其能帶圖 2p n結(jié)的電流電壓特性 3p n結(jié)電容 4p n結(jié)擊穿 5p n結(jié)隧道效應(yīng) 2 3 6 1p n結(jié)及其其能帶圖 1 p n結(jié)的形成 2 p n結(jié)的基本概念 4 6 1pn結(jié)及其能帶圖 6 1 1pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分析 在同一片半導(dǎo)體基片上 分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體 經(jīng)過載流子的擴散 在它們的交界面處就形成了PN結(jié) PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元 其中 最簡單的晶體二極管就是由PN結(jié)構(gòu)成的 5 p n結(jié)的形成p n結(jié)的形成 控制同一塊半導(dǎo)體的摻雜 形成pn結(jié) 合金法 擴散法 離子注入法等 在p
2、 n 型半導(dǎo)體上外延生長n p 型半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié) 由導(dǎo)電類型相反的同一種半導(dǎo)體單晶材料組成的pn結(jié) 同質(zhì)結(jié) 由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料組成的結(jié) 異質(zhì)結(jié) 6 工藝簡介 合金法 合金燒結(jié)方法形成pn結(jié) 擴散法 高溫下熱擴散 進行摻雜 離子注入法 將雜質(zhì)離子轟擊到半導(dǎo)體基片中摻雜分布主要由離子質(zhì)量和注入離子的能量決定 典型的離子能量是30 300keV 注入劑量是在1011 1016離子數(shù) cm2范圍 用于形成淺結(jié)雜質(zhì)分布的簡化 突變結(jié) 線性緩變結(jié) 7 圖6 2 圖6 3 合金法 8 圖6 4 擴散法 離子注入法 9 p n結(jié)的基本概念 空間電荷區(qū) 在結(jié)面附近 由于存在載流子濃度梯度 導(dǎo)致載流
3、子的擴散 擴散的結(jié)果 在結(jié)面附近 出現(xiàn)靜電荷 空間電荷 電離施主 電離受主 空間電荷區(qū)中存在電場 內(nèi)建電場 內(nèi)建電場的方向 n p 在內(nèi)建電場作用下 載流子要作漂移運動 10 PN結(jié)的形成在半導(dǎo)體基片上分別制造N型和P型兩種半導(dǎo)體 經(jīng)過載流子的擴散運動和漂移運動 兩運動最終達到平衡 由離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié) 11 1 PN結(jié)的形成 12 擴散運動 P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時 由于交界面 接觸界 兩側(cè)多子和少子的濃度有很大差別 N區(qū)的電子必然向P區(qū)運動 P區(qū)的空穴也向N區(qū)運動 這種由于濃度差而引起的運動稱為擴散運動 漂移運動 在擴散運動同時 PN結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成電荷區(qū) 或稱阻擋層 耗盡
4、區(qū)等 在空間電荷區(qū)形成的內(nèi)部形成電場的作用下 少子會定向運動產(chǎn)生漂移 即N區(qū)空穴向P區(qū)漂移 P區(qū)的電子向N區(qū)漂移 動態(tài)平衡下的PN結(jié) 13 所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡 相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動 空間電荷區(qū)的厚度固定不變 14 空間電荷區(qū) N型區(qū) P型區(qū) 電位V V0 15 空間電荷區(qū) 在PN結(jié)的交界面附近 由于擴散運動使電子與空穴復(fù)合 多子的濃度下降 則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域 這就是空間電荷區(qū) 又稱為阻擋層 耗盡層 墊壘區(qū) 見下一頁的示意圖 內(nèi)部電場 由空間電荷區(qū) 即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷 將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E 這一
5、內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴散 加速少子的漂移 耗盡層 在無外電場或外激發(fā)因素時 PN結(jié)處于動態(tài)平衡沒有電流 內(nèi)部電場E為恒定值 這時空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子 故稱為耗盡層 16 17 18 平衡p n結(jié)及其能帶圖 當無外加電壓 載流子的流動終將達到動態(tài)平衡 漂移運動與擴散運動的效果相抵消 電荷沒有凈流動 p n結(jié)有統(tǒng)一的EF 平衡pn結(jié) 結(jié)面附近 存在內(nèi)建電場 造成能帶彎曲 形成勢壘區(qū) 即空間電荷區(qū) 19 熱平衡條件 P N Hole Silicon p type Silicon n type 20 熱平衡條件 21 22 內(nèi)建電勢 23 內(nèi)建電勢 PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND NA 材
6、料禁帶寬度以及工作溫度 24 接觸電勢差 pn結(jié)的勢壘高度 eVD接觸電勢差 VD 對非簡并半導(dǎo)體 飽和電離近似 接觸電勢為 VD與二邊摻雜有關(guān) 與Eg有關(guān) 25 圖6 8 電勢 電子勢能 能帶 26 平衡p n結(jié)的載流子濃度分布 當電勢零點取x xp處 則有 勢壘區(qū)的載流子濃度為 27 即有 28 圖6 9 29 平衡p n結(jié)載流子濃度分布的基本特點 同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼關(guān)系 處處都有n p ni2 勢壘區(qū)是高阻區(qū) 常稱作耗盡層 30 StepJunction 31 6 2p n結(jié)的電流電壓特性 1 dEF dx與電流密度的關(guān)系 2 正向偏壓下的p n結(jié) 3 反向偏
7、壓下的p n結(jié) 4 理想p n結(jié) 5 伏安特性 32 33 dEF dx與電流密度的關(guān)系EF隨位置的變化與電流密度的關(guān)系熱平衡時 EF處處相等 p n結(jié)無電流通過 動態(tài)平衡 當p n結(jié)有電流通過 EF就不再處處相等 且 電流越大 EF隨位置的變化越快 34 總之 是否有電荷流動 并不僅僅取決于是否存在電場 當電流密度一定時 dEF dx與載流子濃度成反比 上述討論也適用于電子子系及空穴子系 用準費米能級取代費米能級 35 36 正向偏壓下的p n結(jié) 勢壘 外電壓主要降落于勢壘區(qū) 加正向偏壓V 勢壘高度下降為e VD V 勢壘區(qū)寬度減少 圖6 10 37 非平衡子的電注入 正向偏壓下 勢壘區(qū)內(nèi)電
8、場減少 載流的擴散流 漂移流 非平衡子電注入形成少子擴散區(qū) 外加正向偏壓增大 非平衡子電注入增加 邊界處的載流子濃度為 穩(wěn)態(tài)時 擴散區(qū)內(nèi)少子分布也是穩(wěn)定的 38 正向偏壓下非平衡少子的分布 39 電流 在體內(nèi) 電流是多子漂流電流 在少子擴散區(qū) 多子電流主要是漂流電流 少子電流是擴散電流 討論空穴電流的變化 在電子擴散區(qū) 空穴 多子 邊漂移邊與電子復(fù)合 勢壘區(qū)很薄 勢壘區(qū)中空穴電流可認為不變 在空穴擴散區(qū) 空穴 少子 邊擴散邊與電子復(fù)合 類似地 可討論電子電流的變化 40 穩(wěn)態(tài)下 通過任一截面的總電流是相等的J J J J xn J xp 綠色 漂移電流 紫色 擴散電流 41 準費米能級 EF
9、EF 在勢壘區(qū) 擴散區(qū) 電子和空穴有不同的準費米能級 在擴散區(qū) 可認為多子的準費米能級保持不變 在勢壘區(qū) 近似認為準費米能級保持不變 在擴散區(qū) 少子的準費米能級與位置有關(guān) 且有 42 圖6 13 43 反向偏壓下的p n結(jié) 勢壘高度 e VD V 非平衡子的電抽取 也形成少子擴散區(qū) 44 45 46 電流 仍有J J J J xn J xp 正向偏壓時 在少子擴散區(qū) 少子復(fù)合率 產(chǎn)生率 非平衡載流子注入 反向時 產(chǎn)生率 復(fù)合率 少數(shù)載流子被抽取 反向時 少子濃度梯度很小 反向電流很小 準費米能級 在勢壘區(qū) 47 48 圖6 14 49 50 理想p n結(jié) 理想p n結(jié) 小注入條件 突變結(jié) 耗盡
10、層近似 可認為外加電壓全降落于耗盡層 在擴散區(qū) 少子電流只需考慮擴散 忽略耗盡層中的產(chǎn)生 復(fù)合 通過耗盡層時 可認為電子電流和空穴電流均保持不變 玻耳茲曼邊界條件 51 伏安特性 定性圖象 正向偏壓下 勢壘降低 非平衡少子注入 正向電流隨正向電壓的增加很快增加 反向偏壓下 勢壘升高 非平衡少子被抽取 反向電流很小 并可達到飽和 52 53 54 理想二極管方程 PN結(jié)正偏時 55 理想二極管方程 PN結(jié)反偏時 56 定量方程 基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布 是突變結(jié) 電中性區(qū)寬度遠大于擴散長度 冶金結(jié)為面積足夠大的平面 不考慮邊緣效應(yīng) 載流子在PN結(jié)中一維流動 空間電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散
11、長度 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生 復(fù)合作用 P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低 外加電壓全部降落在過渡區(qū)上 57 準中性區(qū)的載流子運動情況 穩(wěn)態(tài)時 假設(shè)GL 0邊界條件 圖6 4歐姆接觸邊界耗盡層邊界 58 邊界條件 歐姆接觸邊界耗盡層邊界 pn結(jié)定律 59 耗盡層邊界 P型一側(cè) P N 60 耗盡層邊界 續(xù) N型一側(cè) 耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān) 61 準中性區(qū)載流子濃度 62 理想二極管方程 求解過程準中性區(qū)少子擴散方程求Jp xn 求Jn xp J Jp xn Jn xp 63 理想二極管方程 1 新的坐標 邊界條件 xpxn 0 x X 64 空穴電流 一般解 65 電子電流 P
12、型側(cè) 66 PN結(jié)電流 67 少子在擴散區(qū)中的分布 空穴擴散區(qū) 電子擴散區(qū) 68 少子擴散電流 邊界處的少子擴散電流為 69 J V特性 70 pnjunctiondiode 71 對J V特性的說明 單向?qū)щ娦?反向飽和電流Js 溫度的影響 T Js很快增加 單邊突變結(jié) Js的表達式中只有一項起主要作用 只需考慮一邊的少子擴散 正向?qū)妷?Eg越大的材料 具有更大的正向?qū)妷?72 伏安特性 死區(qū)電壓硅管0 6V 鍺管0 2V 導(dǎo)通壓降 硅管0 6 0 7V 鍺管0 2 0 3V 反向擊穿電壓UBR 73 74 與理想情況的偏差 大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合 75 p n結(jié)擊穿 現(xiàn)象 對p
13、 n結(jié)施加反向偏壓時 當反向偏壓增大到某一數(shù)值時 反向電流密度突然開始迅速增大 發(fā)生擊穿時的反向偏壓 p n結(jié)的擊穿電壓 p n結(jié)擊穿的基本原因 載流子數(shù)目的突然增加 76 擊穿機理 雪崩擊穿 強電場下的碰撞電離 使載流子倍增 隧道擊穿 大反向偏壓下 隧道貫穿使反向電流急劇增加 熱電擊穿 不斷上升的結(jié)溫 使反向飽和電流持續(xù)地迅速增大 77 3p n結(jié)電容 1 電容效應(yīng) 2 突變結(jié)的空間電荷區(qū) 3 突變結(jié)勢壘電容 4 擴散電容 78 PN結(jié)電容 79 電容效應(yīng) p n結(jié)有存儲和釋放電荷的能力 勢壘電容CT 當p n結(jié)上外加電壓變化 勢壘區(qū)的空間電荷相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng) 當p n結(jié)上外加的正向
14、電壓增加 勢壘高度降低 空間電荷減少 當p n結(jié)上外加的反向電壓增加 勢壘高度增加 空間電荷增加 80 圖6 19 c 81 擴散電容CD 當p n結(jié)上外加電壓變化 擴散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng) 當正向偏置電壓增加 擴散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加 在反向偏置下 非平衡載流子數(shù)變化不大 擴散電容可忽略p n結(jié)的勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓而變化 CT和CD都是微分電容 C dQ dV 82 擴散電容CD 83 突變結(jié)的空間電荷區(qū) 耗盡層近似下的空間電荷 突變結(jié) 雜質(zhì)完全電離 耗盡近似的條件下 勢壘區(qū)中電離雜質(zhì)組成空間電荷勢壘寬度 d Xp Xn勢壘區(qū)中正負電荷總量相等
15、 Q eNAXp eNDXn 84 勢壘區(qū) 能帶 空間電荷分布 矩形近似 85 電場 泊松方程 E dV dx C 在x 0處 內(nèi)建電場數(shù)值達到極大 電勢 拋物線分布 86 空間電荷 電場 87 電勢 能帶 88 空間電荷區(qū)寬度 平衡p n結(jié) 當加外電壓V 89 單邊突變結(jié) 勢壘區(qū)主要在輕摻雜一邊 對p n結(jié) NB代表ND 對p n 結(jié) NB代表NA 90 P n結(jié) 91 突變結(jié)的勢壘電容 反向偏壓下的突變結(jié)勢壘電容 單位面積 92 幾點說明 p n結(jié)的勢壘電容可以等效為一個平行板電容器 勢壘寬度即兩平行極板的距離 這里求得的勢壘電容 主要適用于反向偏置情況 單邊突變結(jié)的勢壘電容 93 擴散電
16、容 擴散電容CD 當p n結(jié)上外加電壓變化 擴散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng) 94 少子在擴散區(qū)中的分布 在空穴擴散區(qū) 在電子擴散區(qū) 95 PN結(jié)的單位面積微分擴散電容為 擴散電容在正向偏壓和低頻下起重要的作用 96 4p n結(jié)的隧道效應(yīng) 1 p n結(jié)勢壘區(qū)的隧道貫穿 2 隧道結(jié)的I V特性 97 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 能量低于勢壘的粒子有一定的幾率穿越勢壘 這是一種量子力學(xué)效應(yīng)隧穿幾率與勢壘的高度有關(guān) 與勢壘的厚度有關(guān) 隧道二極管 利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng) 98 p n結(jié)勢壘區(qū)的隧道貫穿 隧道結(jié) p n結(jié) 兩邊都是重摻雜 簡并情況 以至在p區(qū) EF進入價帶 在n區(qū) EF進入導(dǎo)
17、帶 結(jié)果 n區(qū)的導(dǎo)帶底部與p區(qū)的價帶頂部在能量上發(fā)生交疊 勢壘十分薄電子可以隧道貫穿勢壘區(qū) 99 圖6 29 100 隧道結(jié)的I V特性正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升 達到一個極大 峰值電流Ip 峰值電壓Vp 隨后 電壓增加 電流反而減少 達到一個極小 谷值電流Iv 谷值電壓Vv 在Vp到Vv的電壓范圍內(nèi) 出現(xiàn)負阻特性 當電壓大于谷值電壓后 電流又隨電壓而上升 101 圖6 27 102 0點 平衡pn結(jié)1點 正向電流迅速上升2點 電流達到峰值 103 3點 隧道電流減少 出現(xiàn)負阻4點 隧道電流等于05點 反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加 104 5p n結(jié)的光生伏特效應(yīng) 1 p
18、 n結(jié)的光生伏特效應(yīng) 2 光電池的伏安特性 105 p n結(jié)的光生伏特效應(yīng)適當波長的光 照射到非均勻半導(dǎo)體上 由于內(nèi)建場的作用 半導(dǎo)體內(nèi)部可以產(chǎn)生電動勢 光生電壓 光生伏特效應(yīng)是內(nèi)建場引起的光電效應(yīng) 光生載流子在勢壘區(qū)內(nèi)的內(nèi)建場的作用下 各自向相反方向運動 使p n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢 p端電勢升高 n端電勢降低 106 107 108 109 伏安特性光電池工作時 電流可分成三股 光照產(chǎn)生的載流子越過勢壘形成光生電流IL 光生電壓作用下的pn結(jié)正向電流IF 流經(jīng)外電路的負載電流I光生電壓V 110 伏安特性 開路電壓Voc I 0 短路電流ISC V 0 IF 0 I ISC IL輸出功率
19、P IV 111 112 113 114 附 Pn結(jié)作為光電器件的其他一些應(yīng)用 光電二極管 光伏型光電探測器 發(fā)光二極管 pn結(jié)注入發(fā)光 激光二極管 pn結(jié)正向注入 115 光電二極管 光伏型光電探測器 與光電池一樣 都是利用了p n結(jié)的光生伏特效應(yīng) 通常 工作時加反向偏壓 將光信號轉(zhuǎn)變成電信號 116 117 發(fā)光二極管 pn結(jié)電致發(fā)光 pn結(jié)加正向偏壓 使系統(tǒng)處于非平衡態(tài) 注入非平衡載流子 這些非平衡載流子因復(fù)合而產(chǎn)生光輻射 118 發(fā)光二極管 LED 是一種p n結(jié) 它能在紫外光 可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光 可見光LED被大量用于各種電子儀器設(shè)備與使用者之間的信息傳送 而紅外光IE
20、D則應(yīng)用于光隔離及光纖通訊方面 由于人眼只對光子能量h 等于或大于1 8eV 0 7 m 的光線感光 因此所選擇的半導(dǎo)體 其禁帶寬度必須大于此極限值 右圖標示了幾種半導(dǎo)體的禁帶寬度值 可見光發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 119 圖10 29 120 下表列出了用來在可見光與紅外光譜區(qū)產(chǎn)生光源的半導(dǎo)體 在所列出的半導(dǎo)體材料中 對于可見光LED而言 最重要的是GaAs1 yPy與GaxIn1 xN合金的 V族化合物系統(tǒng) 發(fā)光二極管 121 圖 b 則是以磷化鎵為襯底制造的發(fā)橙 黃或綠光的間接禁帶冪LED 用外延方法生長的緩變型GaAs1 yPy合金層用來使界面間因晶格不匹配所導(dǎo)致的非輻射性中心減至最小
21、下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光LED的基本結(jié)構(gòu)圖 其中圖 a 的截面圖是以砷化鎵為襯底制造的發(fā)紅光的直接禁帶LED 發(fā)光二極管 122 目前最有希望的材料是氮化鎵 Eg 3 44eV 和相關(guān)的 V族氮化物半導(dǎo)體 如AlGaInN 其直接禁帶范圍由1 95eV至6 2eV 至于高亮度的藍光LED 0 455ym 0 492Pm 方面 已經(jīng)被研究的材料有 族化合物的硒化鋅 ZnSe 族氮化物半導(dǎo)體的氮化鎵 GaN IV族化合物的碳化硅 SiC 然而 的壽命太短 以致至今尚不能商品化 碳化硅也因其為間接禁帶 致使其發(fā)出的藍光亮度太低 也不具吸引力 發(fā)光二極管 123 雖然沒有晶格相匹配的襯底可供GaN
22、生長 但是低溫生長的AlN做緩沖層 即可在藍寶石 Al2O3 上生長高品質(zhì)的GaN 右圖即為生長在藍寶石襯底上的 族氮化物LED 因為藍寶石襯底是絕緣體 所以p型與n型的歐姆接觸都必須形成在上表面 藍光產(chǎn)生于GaxIn1 xN區(qū)域的輻射性復(fù)合作用 而GaxIn1 xN如三明治般被夾于兩個較大禁帶寬度的半導(dǎo)體之間 一個是p型的AlxGa1 xN層 一個是n型的GaN層 發(fā)光二極管 124 激光二極管 pn結(jié)正向注入 兩邊都為重摻雜的pn結(jié) 在正向偏壓下 在結(jié)面附近 可實現(xiàn) Efn Efp Eg 使這區(qū)域成為分布反轉(zhuǎn)區(qū) 利用pn結(jié)正向注入實現(xiàn)粒子數(shù)的分布反轉(zhuǎn) 125 VD Eg eV Eg 分布反轉(zhuǎn)區(qū) 圖10 34 126 127
半導(dǎo)體物理學(xué)ppt課件.ppt
