1、唐潔影唐潔影東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院第第5 5章章 半導(dǎo)體中電子的控制半導(dǎo)體中電子的控制5.1 5.1 半導(dǎo)體與外界作用半導(dǎo)體與外界作用5.2 5.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體半導(dǎo)體與半導(dǎo)體5.3 5.3 半導(dǎo)體與金屬半導(dǎo)體與金屬5.4 5.4 半導(dǎo)體與絕緣體半導(dǎo)體與絕緣體5.1 5.1 半導(dǎo)體與外界作用半導(dǎo)體與外界作用一一. .半導(dǎo)體與熱半導(dǎo)體與熱溫度可以影響溫度可以影響載流子的濃度載流子的濃度載流子的分布載流子的分布載流子濃度不均勻載流子濃度不均勻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)低溫弱電離低溫弱電離中溫全電離中溫全電離高溫本征激發(fā)高溫本征激發(fā)溫度不均勻溫度不均勻 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 載流子

2、濃度載流子濃度)2ln(21210CDDCFNNTkEEETkECDDeNNn021202)ln(0CDCFNNTkEEDNn 0CVVCiFNNTkEEEEln21210TkEVCigeNNnpn021200中溫中溫高溫高溫低溫低溫1.1.溫度對(duì)濃度的影響溫度對(duì)濃度的影響由由4.24.2得知得知（1）n T分析、討論分析、討論TkECDDeNNn021202DNn 0TkEVCigeNNn0212希望器件工作在此溫區(qū)希望器件工作在此溫區(qū)（2）EF T)2ln(21210CDDCFNNTkEEE)ln(0CDCFNNTkEEEF ED的相對(duì)位置反的相對(duì)位置反映了半導(dǎo)體中載流子映了半導(dǎo)體中載流子

3、的的電離程度電離程度低溫中溫（摻雜一定）（摻雜一定）（3）EF 摻雜（摻雜（T一定，則一定，則NC也一定）也一定）T一定，一定，ND越大，越大，EF越靠近越靠近ECT一定，一定，NA越大，越大，EF越靠近越靠近EV。)ln(0CDCFNNTkEE中溫2.2.局部熱對(duì)分布的影響局部熱對(duì)分布的影響溫度不均勻溫度不均勻載流子濃度不均勻載流子濃度不均勻載流子擴(kuò)散載流子擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)0032CFskEETqk T 均勻溫度梯度下的半導(dǎo)體的能帶圖均勻溫度梯度下的半導(dǎo)體的能帶圖+-FsdEqqVTdT 溫差電動(dòng)勢(shì)的方向與半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)的方向與半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相關(guān)。所以

4、可以利用所以可以利用熱探針法判斷半導(dǎo)體導(dǎo)電類熱探針法判斷半導(dǎo)體導(dǎo)電類型型。應(yīng)用：溫差發(fā)電、致冷器應(yīng)用：溫差發(fā)電、致冷器塞貝克效應(yīng)珀耳帖效應(yīng)湯姆孫效應(yīng)熱電效應(yīng)二二. .半導(dǎo)體與光半導(dǎo)體與光產(chǎn)生非平衡載流子gEh 半導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)阻礙多子擴(kuò)半導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)阻礙多子擴(kuò)散的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致能帶彎散的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致能帶彎曲。但當(dāng)光注入曲。但當(dāng)光注入載流子量很載流子量很小時(shí)小時(shí)，該內(nèi)建電場(chǎng)可以忽略該內(nèi)建電場(chǎng)可以忽略。類似于溫差電動(dòng)勢(shì)，半導(dǎo)體吸收光子也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)類似于溫差電動(dòng)勢(shì)，半導(dǎo)體吸收光子也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光生伏光生伏特效應(yīng)。特效應(yīng)。一類是發(fā)生在均勻半導(dǎo)體材料一類是發(fā)生在均勻半導(dǎo)體材料內(nèi)部?jī)?nèi)部丹倍效應(yīng)丹倍效應(yīng)一

5、類是發(fā)生在半導(dǎo)體的界面一類是發(fā)生在半導(dǎo)體的界面pn結(jié)光結(jié)光生伏特效應(yīng)生伏特效應(yīng) （常用于太陽(yáng)能電池）（常用于太陽(yáng)能電池）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)能帶示意圖非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異而非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異而引導(dǎo)起的光照方向產(chǎn)生電場(chǎng)和電引導(dǎo)起的光照方向產(chǎn)生電場(chǎng)和電位差位差光在界面層被吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。光在界面層被吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。通過空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。通過空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。電子和空穴向相反方向運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生一個(gè)電子和空穴向相反方向運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生一個(gè)向外的可測(cè)試的電壓。向外的可測(cè)試的電壓。三三. .半導(dǎo)體與磁半導(dǎo)體與磁1.1.霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng) 通了電流通了電流的半導(dǎo)體在

6、垂直電流方向的的半導(dǎo)體在垂直電流方向的磁場(chǎng)磁場(chǎng)作用下，在與電流和磁場(chǎng)垂直作用下，在與電流和磁場(chǎng)垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢(shì)差電勢(shì)差的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 磁場(chǎng)磁場(chǎng) 洛侖茲力洛侖茲力 改變載流子運(yùn)動(dòng)的方向改變載流子運(yùn)動(dòng)的方向磁場(chǎng)作用下的通電磁場(chǎng)作用下的通電n型半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)型半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)xyzEH比例系數(shù)比例系數(shù)RH 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)BvqF洛JBEH霍耳電場(chǎng)JBREHH- - - -+ + + +霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)回旋共振回旋共振 洛侖茲力洛侖茲力電場(chǎng)力電場(chǎng)力霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)可以測(cè)定可以測(cè)定載流子濃度載流子濃度及載流子及載流子遷移率遷移率等重要參數(shù)，以及判斷等重要

7、參數(shù)，以及判斷材料的材料的導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型。還可制作。還可制作霍爾器件霍爾器件。霍爾電壓的正負(fù)相反霍爾電壓的正負(fù)相反p p型型n型型 （1）判斷導(dǎo)電類型）判斷導(dǎo)電類型n型型 RH0EHqvBqEH-JBRBnqJBvEHH- ）（10HRnq 10HRpq同理：同理：JBREHHn型型 p p型型（2）測(cè)定載流子濃度及遷移率）測(cè)定載流子濃度及遷移率1HRnq 1HRpq或三參量已知，測(cè)出VH求出RH求出求出n或或p測(cè)出電導(dǎo)率測(cè)出電導(dǎo)率可求出霍爾遷移率可求出霍爾遷移率（3）霍爾器件）霍爾器件HxxVI B保持其中一個(gè)量不變，另一個(gè)或兩個(gè)作變量，應(yīng)用保持其中一個(gè)量不變，另一個(gè)或兩個(gè)作變量，應(yīng)用于不

8、同場(chǎng)合。于不同場(chǎng)合。JBREHHBbdIRbVHHBIdVRHH（b-寬 d-厚）2. 回旋共振回旋共振 u Cyclotron resonance experiments測(cè)測(cè) m* m* 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載( (電電) )流子在一定的恒定流子在一定的恒定( (直流直流) )磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振( (常稱回旋共振常稱回旋共振) )c發(fā)生共振吸收發(fā)生共振吸收ncmqB電子的初速度為電子的初速度為v ,在恒定磁場(chǎng)（在恒定磁場(chǎng)（B）中：）中：ncmqBBvqfBqvqvBfsin2nvfmrcvr 回旋

9、頻率回旋頻率原原 理理fv/vrBvBk1 k2 k3 ncmqB 21222222212121212121)()cos(lkhlkhl lkkhh22cossinltltnmmmmm001以以硅硅為例為例,回旋共振回旋共振實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）B沿沿111方向，觀察到一個(gè)吸收峰。方向，觀察到一個(gè)吸收峰。（2）B沿沿110方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。（3）B沿沿100方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。（4）B沿任意軸方向，觀察到三個(gè)吸收峰。沿任意軸方向，觀察到三個(gè)吸收峰。硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿100方向的旋轉(zhuǎn)橢球面。方向的旋轉(zhuǎn)橢球面。四

10、四. .半導(dǎo)體與力半導(dǎo)體與力壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻是指半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是率發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是C.SC.S史密斯在史密斯在19541954年對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特年對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的。性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的。半導(dǎo)體半導(dǎo)體施加力施加力晶格間距變化晶格間距變化周期勢(shì)場(chǎng)變化周期勢(shì)場(chǎng)變化能帶結(jié)構(gòu)變化能帶結(jié)構(gòu)變化 /能谷間轉(zhuǎn)移能谷間轉(zhuǎn)移遷移率變化遷移率變化電阻率變化電阻率變化( ,1,2,3,4)abTa b壓阻系數(shù)，四階張量。反映壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱。壓阻系數(shù)，四階張量。反映壓

11、電效應(yīng)的強(qiáng)弱。T應(yīng)力（單位截面所受力）應(yīng)用：應(yīng)用：半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)壓敏二極管壓敏二極管壓敏晶體管壓敏晶體管壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式加速度計(jì)傳壓阻式加速度計(jì)傳感器感器壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)第第5 5章章 半導(dǎo)體中電子的控制半導(dǎo)體中電子的控制5.1 半導(dǎo)體與外界作用5.3 半導(dǎo)體與金屬5.2 5.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體半導(dǎo)體與半導(dǎo)體5.4 半導(dǎo)體與絕緣體5.2 5.2 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體半導(dǎo)體與半導(dǎo)體半導(dǎo)體與半導(dǎo)體結(jié)合半導(dǎo)體與半導(dǎo)體結(jié)合同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)p-n結(jié)結(jié)n+-n、p+-p結(jié)（高低結(jié)）同型n-n、p-p異型n-p、p-n半導(dǎo)體超晶格量子結(jié)構(gòu)人工剪裁能帶結(jié)構(gòu)兩種不同組元以幾個(gè)納

12、米到幾十個(gè)納米的薄兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的多層膜層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的多層膜應(yīng)用：制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管p-n結(jié)基本結(jié)構(gòu)結(jié)基本結(jié)構(gòu)(1) Alloyed Junctions (合金結(jié)合金結(jié))(2) Diffused Junctions (擴(kuò)散結(jié)擴(kuò)散結(jié)) (3) Ion Implantation (離子注入離子注入) (4) Epitaxial Growth (外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng))1. 制備方法制備方法最最常常用用一一.p-n.p-n結(jié)結(jié)合金溫度合金溫度降溫再結(jié)晶降溫再結(jié)晶(1) Alloyed Junctio

13、ns (合金結(jié)合金結(jié))(2) Diffused Junctions (擴(kuò)散結(jié)擴(kuò)散結(jié))擴(kuò)散擴(kuò)散系統(tǒng)系統(tǒng) (3) Ion Implantation (離子注入離子注入)2 . pn結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)(Space charge region)的形成的形成漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)+-內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)E 剛接觸，擴(kuò)散剛接觸，擴(kuò)散（達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡）擴(kuò)散擴(kuò)散=漂移漂移建立內(nèi)建電場(chǎng)建立內(nèi)建電場(chǎng)漂移漂移P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體阻擋層阻擋層 耗盡區(qū)耗盡區(qū)Depletion region空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)Space charge region 當(dāng)當(dāng)p p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n n型半導(dǎo)體接觸在

14、一起時(shí)型半導(dǎo)體接觸在一起時(shí), ,擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚空間電荷區(qū)的厚度固定不變度固定不變。在兩者的交界面處存在著一個(gè)過渡區(qū)在兩者的交界面處存在著一個(gè)過渡區(qū), ,通常稱為通常稱為p-np-n結(jié)結(jié). .中性區(qū)中性區(qū)緩變結(jié)緩變結(jié)與與突變結(jié)突變結(jié)1. Alloyed Junctions (合金結(jié)合金結(jié))2. Diffused Junctions (擴(kuò)散結(jié)擴(kuò)散結(jié)) 3. Ion Implantation (離子注入離子注入) 4. Epitaxial Growth (外延生長(zhǎng)

15、外延生長(zhǎng))合金結(jié)、高表面合金結(jié)、高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)濃度的淺擴(kuò)散結(jié)深擴(kuò)深擴(kuò)散結(jié)散結(jié)外延生長(zhǎng)過程中，襯底中的雜質(zhì)會(huì)因?yàn)楦咄庋由L(zhǎng)過程中，襯底中的雜質(zhì)會(huì)因?yàn)楦邷貤l件而擴(kuò)散進(jìn)入外延層中，外延層中總溫條件而擴(kuò)散進(jìn)入外延層中，外延層中總的雜質(zhì)分布為外摻雜和外擴(kuò)散共同形成的，的雜質(zhì)分布為外摻雜和外擴(kuò)散共同形成的，難以得到突變結(jié)難以得到突變結(jié)0E(x)()AprqNxx D0E(x)()nrqNxx ApDnN xN x1022X()()rADDDADNNVqN N 20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV突變結(jié)空間電荷區(qū)的突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)電場(chǎng)E(x)、電勢(shì)電勢(shì)V(x)、寬度、寬度XDdx

16、dExdxVdr022)(泊松方程poissons equation:In the p-region:1000)(ECxqNdxqNdxxrArAr0E,pxxprAxqNC01)(E0prAxxqN所以所以In the n-region:)(E0DxxqNnrprnrxqNxqN0A0DmaxEEdx,)(V x及及0V,pxx是連續(xù)函數(shù) V(x), 0 x20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV突變結(jié)突變結(jié)ApDnqN xSqN xSpnDxxXDDAAnXNNNxDDADpXNNNx空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度XD 摻雜濃度高的一側(cè)，空間電荷區(qū)域窄。摻雜濃度高的一側(cè)，空間電荷

17、區(qū)域窄。,VnDxxV)(22A20DpnDrDxNxNqNVDDAAnXNNNx1022X()()rADDDADNNVqN N DDADpXNNNx20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度(Space charge region width)XD=?3. pn結(jié)能帶結(jié)能帶 (Enery band )勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)- +0 VDnnoppo熱平衡時(shí)的能帶圖熱平衡時(shí)的能帶圖勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)- +0 VDnnoppo 勢(shì)壘區(qū)高度勢(shì)壘區(qū)高度qVD ？ 空間電荷區(qū)的接觸電勢(shì)差空間電荷區(qū)的接觸電勢(shì)差 VD？ 勢(shì)壘區(qū)寬度勢(shì)壘區(qū)寬度 XD ？ 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 寬度寬度

18、XD ？勢(shì)壘區(qū)的載流子濃度分布勢(shì)壘區(qū)的載流子濃度分布 n（X）、）、p（X）？）？ n(x)4. pn結(jié)的物理參量結(jié)的物理參量pnonpoTkEEpnFpFnenn000000DqVk Tnpnen平衡時(shí)TkEEiniFnenn00n型半導(dǎo)體中的電子濃度為型半導(dǎo)體中的電子濃度為p型半導(dǎo)體中的電子濃度為型半導(dǎo)體中的電子濃度為TkEEipiFpenn00FpFnDEEqV勢(shì)壘區(qū)高度勢(shì)壘區(qū)高度q VD/接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差VD 000lnnDpnqVk TnApDnNpNn00,全電離非簡(jiǎn)并20lniADDnNNqTkV * 勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度 qVD ND、NA 、Eg 2000000lnlnipn

19、pnDnpnqTknnqTkV接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差 (The Contact Potential)1022X()()rADDDADNNVqN N 勢(shì)壘區(qū)或空間電荷區(qū)寬度 載流子分布載流子分布 0( )0qV xk Tpn xn e 0( )0qV xk Tpp xp e0nn0np0pn0pp)(xn( )qV x-Xp Xn 0-Xp Xn 0-Xp Xn 中性區(qū)中性區(qū)Carrier distributions TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqVnDepxp0)(0000DqVk Tnpnen TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqVnDepxp0)(0或 0( )

20、0qV xk Tpn xn e 0( )0qV xk Tpp xp e二二.p-n.p-n結(jié)的常規(guī)特性結(jié)的常規(guī)特性1. 1. 勢(shì)壘區(qū)的自由載流子全部耗盡勢(shì)壘區(qū)的自由載流子全部耗盡, ,并并忽略忽略勢(shì)壘區(qū)中載流子的勢(shì)壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生產(chǎn)生和和復(fù)合復(fù)合。現(xiàn)假設(shè)現(xiàn)假設(shè): : 2. 2. 小注入小注入: :注入的少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體中的多數(shù)載注入的少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子濃度。在注入時(shí)，流子濃度。在注入時(shí)，擴(kuò)散區(qū)的漂移電場(chǎng)擴(kuò)散區(qū)的漂移電場(chǎng)可可忽略忽略。1. pn結(jié)的結(jié)的I-V特性特性中性區(qū)中性區(qū)000DqVk Tnpnen00CFnEEk TnCnN e00CFpEEk TpCn

21、N enn0np01000TkqVnnnnnfeppxpxp1 1e en nn nx x- -n nx x- - n nT Tk kq qV Vp p0 0p p0 0p pp pp p0 0f f正向偏壓下正向偏壓下 外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，因而使外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，因而使勢(shì)壘兩端的電勢(shì)差由勢(shì)壘兩端的電勢(shì)差由V VD D減小為減小為（V VD D-V-Vf f），），相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)變薄變薄。(1) 正向偏置正向偏置 （ Forward bias）由于電場(chǎng)作用而使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為由于電場(chǎng)作用而使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程

22、稱為- -電注入電注入非平衡態(tài)非平衡態(tài)1022X()()rADDDADNNVqN N 1022X()()()rADDDfADNNVVqN N 存在凈擴(kuò)散電流存在凈擴(kuò)散電流漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移=擴(kuò)散擴(kuò)散正向偏置0nn0pnSpace charge regionNeutral regionDiffusion region漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散(2)反向偏置反向偏置 （Reverse bias）V VD D增大為（增大為（V VD D+V+Vr r），相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)加寬），相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)加寬1022X()()rADDDADNNVqN N 1022X()()()rADDDrADNNVVqN N 勢(shì)壘區(qū)兩

23、側(cè)邊界上的少數(shù)載流勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)邊界上的少數(shù)載流子被強(qiáng)電場(chǎng)掃過勢(shì)壘區(qū)。使子被強(qiáng)電場(chǎng)掃過勢(shì)壘區(qū)。使邊界處的邊界處的少子濃度低于體內(nèi)少子濃度低于體內(nèi)。產(chǎn)生了少子的擴(kuò)。產(chǎn)生了少子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成了散運(yùn)動(dòng)，形成了反向擴(kuò)散電流反向擴(kuò)散電流。10TkqVsrreJJ類似于正向偏置的方法，可求得反向電流密度類似于正向偏置的方法，可求得反向電流密度那么T,T,k kqVqV一般一般0 0r rsrJJ式中，式中，JsJs不隨反向電壓變化，稱為不隨反向電壓變化，稱為反向飽和電流密度反向飽和電流密度；負(fù)號(hào)表；負(fù)號(hào)表示反向電流方向與正向電流方向相反。示反向電流方向與正向電流方向相反。中性區(qū)中性區(qū)000DqVk Tnpn

24、ennn0np01000TkqVnnnnnfeppxpxp1 1e en nn nx x- -n nx x- - n nT Tk kq qV Vp p0 0p p0 0p pp pp p0 0f f正正向向偏偏壓壓下下熱熱平平衡衡反反向向偏偏壓壓下下擴(kuò)散=漂移( )nppnpxnpDd p xJxqDqp xdxL p-n結(jié)的正向和反向電流密度公式可統(tǒng)一用下列公式表示：結(jié)的正向和反向電流密度公式可統(tǒng)一用下列公式表示：1 1e eJ JJ JT Tk kqVqVs s0 0反向：反向：V= -Vr（3）I-V characteristic of a p-n junctionppnnnpsLDpL

25、DnqJ00反向飽和電流密度反向飽和電流密度正向：正向：V= VfT Tk kq qV Vs s0 0e eJ JJ J正向s sJ JJ J-反向TkqV0p-n結(jié)的伏結(jié)的伏-安特性安特性v 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?整流整流v 具有可變電阻性具有可變電阻性VTEg VD VTp-n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?整流整流20lniADDnNNqTkVGe、Si、GaAs：0.3、 0.7、1V1 1e eJ JJ JT Tk kqVqVs s0 0p-n結(jié)的溫度效應(yīng)結(jié)的溫度效應(yīng)1 1e eJ JJ JT Tk kqVqVs s0 0ppnnnpsLDpLDnqJ00其中：均與均與T有關(guān)有關(guān)那么，

26、正向電流密度隨溫度上升而增加。那么，正向電流密度隨溫度上升而增加。0230gEk TipAnnT eN(0)ggEET00JpnsTnp，反向飽和電流隨溫反向飽和電流隨溫度上升按指數(shù)增加。度上升按指數(shù)增加。T Tk kE ET Tk kq qV VT Tk kE ET Tk kq qV Vs sf f0 0g g0 0f f0 0g g0 0f fe ee ee ee eJ JJ JfqVT)0(3)0(3T)T(2. p-n2. p-n結(jié)電容結(jié)電容 (Capacitance of p-n Junctions)(Capacitance of p-n Junctions)v p-n結(jié)的結(jié)的直流直

27、流伏伏-安特性表明：安特性表明： 1. 具有單向?qū)щ娦浴＞哂袉蜗驅(qū)щ娦浴?2. 具有可變電阻性。具有可變電阻性。特別是在特別是在高頻運(yùn)用高頻運(yùn)用時(shí)，這個(gè)電容效應(yīng)更為顯著。時(shí)，這個(gè)電容效應(yīng)更為顯著。v p-n結(jié)的結(jié)的交流交流特性表明特性表明:p-n結(jié)還具有結(jié)還具有可變電容可變電容的性質(zhì)的性質(zhì)p-np-n結(jié)電容包括結(jié)電容包括勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容和和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容兩部分兩部分（1 1）勢(shì)壘電容）勢(shì)壘電容C CT TDVX意味著存入部分電子和空穴由于勢(shì)壘區(qū)電荷的變化表現(xiàn)出來(lái)的電容效應(yīng)由于勢(shì)壘區(qū)電荷的變化表現(xiàn)出來(lái)的電容效應(yīng)- -勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容也稱結(jié)電容（也稱結(jié)電容（Junction capacitanc

28、e）DTXAdVdQCDVX意味著取出部分電子和空穴QXVD以外加正向電以外加正向電壓為例壓為例DTXAdVdQC勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容對(duì)于線性緩變結(jié)：對(duì)于線性緩變結(jié)：31012jDrDqVVX2102DADArDDNNNNqVVX對(duì)于突變結(jié)對(duì)于突變結(jié)對(duì)于突變結(jié)：對(duì)于突變結(jié)：2112DADADTNNNNVVqAC* 耗盡層近似條件成立耗盡層近似條件成立12142ADTTDADN NqCCAVNN（0）=4正偏下的經(jīng)驗(yàn)公式：正偏下的經(jīng)驗(yàn)公式：反偏時(shí)適用反偏時(shí)適用31212VVqACDjT其中 :雜質(zhì)濃度梯度j對(duì)于線性緩變結(jié)：對(duì)于線性緩變結(jié)：荷荷量量) )變變化化Q Q( (擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)儲(chǔ)儲(chǔ)存存電電

29、V V變變化化 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容(2) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容也稱電荷存儲(chǔ)電容（也稱電荷存儲(chǔ)電容（charge storage capacitance charge storage capacitance ）dVdQdVdQdVdQCnpDdVdQdVdQdVdQCnpD0000( )(1)(1)npnnxxqVqVLk Tk TpnpnxxQq p x dxqpeedxqL pe-VkTqpnnpDnDpDenLpLkTAqCCC)(00200( )(1)nqVk TnnpxQq n x dxqL ne同理：同理：dVdQdVdQdVdQCnpD那么， 顯然，顯然， CT與與CD都與都與p-n結(jié)的

30、面積結(jié)的面積A成正比，且隨外加電壓成正比，且隨外加電壓而變化。而變化。（3）總電容）總電容p-n結(jié)的總電容結(jié)的總電容為勢(shì)壘電容和為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和擴(kuò)散電容之和大正向偏置大正向偏置p-n結(jié)時(shí)，以結(jié)時(shí)，以CD為主，為主，CjCD小正向偏置或反向偏置小正向偏置或反向偏置p-n結(jié)時(shí)，結(jié)時(shí)， 以以CT為主，為主，CjCT2112DADADTNNNNVVqAC200()qVkTDpnnpAqCL pL nekTDTnpTjCCdVQQQddVdQC)(點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負(fù)極負(fù)極引線引線負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正極引線正極引

31、線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金正極正極引線引線負(fù)極負(fù)極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP 型支持襯底型支持襯底目前主要使用目前主要使用 點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金點(diǎn)接觸型二極管是在鍺或硅材料的單晶片上壓觸一根金屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其屬針后，再通過電流法而形成的。因此，其PNPN結(jié)的靜電容結(jié)的靜電容量小量小, ,適用于高頻電路。適用于高頻電路。 因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。對(duì)于小信號(hào)的檢波、因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單，所以價(jià)格便宜。對(duì)于小信號(hào)的檢波、整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言，它是分立器件整流、調(diào)制、混頻和限幅等一般用途而言，它是分立

32、器件中應(yīng)用范圍較廣的類型。中應(yīng)用范圍較廣的類型。 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負(fù)極負(fù)極引線引線 面結(jié)型與點(diǎn)接觸型二面結(jié)型與點(diǎn)接觸型二極管相比較，正向特性和極管相比較，正向特性和反向特性好，因此，用于反向特性好，因此，用于大電流和整流。大電流和整流。負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金正極正極引線引線負(fù)極負(fù)極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP 型支持襯底型支持襯底影響影響p-n結(jié)伏結(jié)伏-安特性的主要因素：安特性的主要因素：產(chǎn)生偏差的原因：產(chǎn)生偏差的原因：（1）正向小電壓

33、時(shí)忽略了）正向小電壓時(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流；正向大電壓電流；正向大電壓時(shí)忽略了時(shí)忽略了擴(kuò)散區(qū)的漂移電流擴(kuò)散區(qū)的漂移電流和和體電阻體電阻上的壓降。上的壓降。（2）在反向偏置時(shí)忽略了）在反向偏置時(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流。電流。三三.p-n.p-n結(jié)的異常特性結(jié)的異常特性1.p-n結(jié)結(jié)I-V特性的非理想因素特性的非理想因素空間電荷區(qū)的復(fù)合電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流（正向）（正向）假設(shè)注入空穴在穿越空間電荷假設(shè)注入空穴在穿越空間電荷區(qū)時(shí)因復(fù)合損失了一部分，那區(qū)時(shí)因復(fù)合損失了一部分，那么么p p區(qū)就要額外地向區(qū)就要額外地向n n區(qū)注入空區(qū)注入空穴，穴，以彌補(bǔ)復(fù)合損失掉的空穴。以彌

34、補(bǔ)復(fù)合損失掉的空穴。單位時(shí)間額外注入的載流子的單位時(shí)間額外注入的載流子的流動(dòng)形成了復(fù)合電流流動(dòng)形成了復(fù)合電流。注入電子同上。注入電子同上。注入空穴注入電子DxrUdxqJ0勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流TkEEchnpnnnpCNUitiit022)(DxrUdxqJ0iitnpnnnpCNU2)(2max02max(1)2qVk TtiN Cn eUitEE TkqVDieXqn02222max()2()tiiN C nnUnnpn 02D0qVpk TinpDJqnen L擴(kuò)散電流00200nFFEEqVk Tk Tinpn p en e復(fù)合率復(fù)合率勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流正向電流: J

35、=Jr+JD注入注入p+-n結(jié)的結(jié)的n側(cè)的空穴側(cè)的空穴及其所造成的電子分布及其所造成的電子分布大注入大注入 （正向）（正向）擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)Dp 2Dp+ -體電阻體電阻上的壓降不可忽略上的壓降不可忽略p空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流 （反向）（反向）DGqGXJTkEEchnpnnnpCNUitiit022)(itEE pnni,2inU2inG 2DiXqn20pRDinpDJqnn L勢(shì)壘區(qū)由熱激發(fā)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的勢(shì)壘區(qū)由熱激發(fā)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子電子-空穴對(duì)來(lái)不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)空穴對(duì)來(lái)不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)走了，驅(qū)走了， 存在凈產(chǎn)生。存在

36、凈產(chǎn)生。勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合影響勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合影響大注入影響大注入影響勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生影響勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生影響2. p-n2. p-n結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿(Berakdown)(Berakdown)齊齊納納擊擊穿穿雪雪崩崩擊擊穿穿電電擊擊穿穿熱熱擊擊穿穿擊擊穿穿 在在反向偏置反向偏置下，當(dāng)反向電壓很大時(shí)，下，當(dāng)反向電壓很大時(shí)， p-n結(jié)的反向電流結(jié)的反向電流突然增加，從而破壞了突然增加，從而破壞了p-n結(jié)的整流特性結(jié)的整流特性- p-n結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿。禁帶寬度較窄的半導(dǎo)禁帶寬度較窄的半導(dǎo)體易發(fā)生這種擊穿體易發(fā)生這種擊穿. p-n p-n結(jié)中的電場(chǎng)隨著結(jié)中的電場(chǎng)隨著反向電壓反向電壓的增加而增加，少數(shù)載流子通過的增加

37、而增加，少數(shù)載流子通過反向擴(kuò)反向擴(kuò)散散進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)時(shí)獲得的動(dòng)能也就越來(lái)越大，當(dāng)載流子的動(dòng)能大到一定數(shù)進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)時(shí)獲得的動(dòng)能也就越來(lái)越大，當(dāng)載流子的動(dòng)能大到一定數(shù)值后，與中性原子碰撞時(shí)，可以值后，與中性原子碰撞時(shí)，可以把中性原子的價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成把中性原子的價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)碰撞電離。碰撞電離。 (1)雪崩擊穿雪崩擊穿(Avalanche berakdown)連鎖反應(yīng)，使載流子的數(shù)量連鎖反應(yīng)，使載流子的數(shù)量倍增式的急劇增多，倍增式的急劇增多，因而因而p-np-n結(jié)的反結(jié)的反向電流也急劇增大，形成了向電流也急劇增大，形成了雪崩擊穿雪崩擊穿。影響雪崩擊穿電壓的主要因

38、素：影響雪崩擊穿電壓的主要因素：1.摻雜濃度摻雜濃度: 摻雜濃度高摻雜濃度高,擊穿電壓小。擊穿電壓小。 2.禁帶寬度禁帶寬度: 禁帶寬度越寬禁帶寬度越寬,擊穿電壓越大。擊穿電壓越大。3.溫溫 度度: 溫度升高溫度升高,擊穿電壓增大（正溫度系數(shù)）擊穿電壓增大（正溫度系數(shù)）但，雜質(zhì)濃度很高但，雜質(zhì)濃度很高勢(shì)壘區(qū)寬度小勢(shì)壘區(qū)寬度小不易完成載流子加速過程不易完成載流子加速過程不利于不利于雪崩倍增雪崩倍增禁帶寬度大禁帶寬度大碰撞電離產(chǎn)生電子碰撞電離產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)所需空穴對(duì)所需能量大能量大不利于雪崩倍增不利于雪崩倍增溫度升高溫度升高晶格振動(dòng)散射增加晶格振動(dòng)散射增加電子、空穴獲得的能量易損失電子、空穴

39、獲得的能量易損失不利于雪不利于雪崩倍增效應(yīng)崩倍增效應(yīng)雜質(zhì)濃度高雜質(zhì)濃度高空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)大空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)大載流子能夠獲得載流子能夠獲得更大動(dòng)能更大動(dòng)能利于雪崩倍增利于雪崩倍增prnrxqNxqN0A0DmaxE(2)(2)齊納齊納擊穿擊穿(Zener berakdown)或隧道擊穿或隧道擊穿是摻雜濃度較高的非簡(jiǎn)并是摻雜濃度較高的非簡(jiǎn)并p-n結(jié)中的擊穿機(jī)制結(jié)中的擊穿機(jī)制. 根據(jù)量子力學(xué)的觀點(diǎn)根據(jù)量子力學(xué)的觀點(diǎn), ,當(dāng)勢(shì)壘寬度當(dāng)勢(shì)壘寬度X XABAB足夠窄時(shí)足夠窄時(shí), ,將有將有p p區(qū)電子穿透禁帶區(qū)電子穿透禁帶. .當(dāng)外當(dāng)外加反向電壓很大時(shí)加反向電壓很大時(shí), ,能帶傾斜嚴(yán)重能帶傾斜嚴(yán)重, ,勢(shì)

40、壘寬度勢(shì)壘寬度X XABAB變得更窄變得更窄. .造成很大的反向電流造成很大的反向電流. .使使p-np-n結(jié)擊穿結(jié)擊穿. .XDXAB影響齊納擊穿電壓的主要因素：影響齊納擊穿電壓的主要因素：1.摻雜濃度摻雜濃度:摻雜濃度摻雜濃度大大,擊穿電壓擊穿電壓小小。 2.禁帶寬度禁帶寬度:禁帶寬度禁帶寬度越寬越寬,擊穿電壓擊穿電壓越大越大。3. 溫度溫度:溫度升高溫度升高,擊穿電壓下降（負(fù)擊穿電壓下降（負(fù)溫度系數(shù)）。溫度系數(shù)）。雜質(zhì)濃度高雜質(zhì)濃度高勢(shì)壘區(qū)寬度窄勢(shì)壘區(qū)寬度窄隧道長(zhǎng)度短隧道長(zhǎng)度短易發(fā)生隧道擊穿易發(fā)生隧道擊穿禁帶寬度大禁帶寬度大隧道長(zhǎng)度變長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度變長(zhǎng)不易隧道擊穿不易隧道擊穿溫度升高溫度升高

41、禁帶寬度變窄禁帶寬度變窄勢(shì)壘區(qū)寬度變小勢(shì)壘區(qū)寬度變小隧道長(zhǎng)度變短隧道長(zhǎng)度變短XDXAB 齊納擊穿齊納擊穿電壓具有電壓具有負(fù)負(fù)的溫度系數(shù)的溫度系數(shù), ,而雪崩擊穿而雪崩擊穿電壓具有電壓具有正正的的溫度系數(shù)溫度系數(shù), ,這種溫度效應(yīng)是區(qū)分兩種擊穿機(jī)構(gòu)的重要方法這種溫度效應(yīng)是區(qū)分兩種擊穿機(jī)構(gòu)的重要方法. . 摻雜濃度高摻雜濃度高, ,反向偏壓不高的情況下反向偏壓不高的情況下, ,易發(fā)生齊納擊穿易發(fā)生齊納擊穿 反向偏壓較高的情況下，易發(fā)生雪崩擊穿反向偏壓較高的情況下，易發(fā)生雪崩擊穿. .結(jié)結(jié) 論論例，Si、Ge：4/BRgVEq6/BRgVEq4/6/gBRgEqVEq齊納擊穿（隧道擊穿）齊納擊穿（隧

42、道擊穿）雪崩擊穿雪崩擊穿兩者均存在兩者均存在1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管擊穿特性的應(yīng)用舉例擊穿特性的應(yīng)用舉例碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管（碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管（IMPATTIMPATT）Impact Avalanche Transit TimeImpact Avalanche Transit Time 加反向直流電壓使加反向直流電壓使IMPATTIMPATT正好處于雪崩正好處于雪崩擊穿臨界點(diǎn)，再疊加一個(gè)小的微波信號(hào)。擊穿臨界點(diǎn)，再疊加一個(gè)小的微波信號(hào)。微波功率器件雪崩電離雪崩電離雪崩電離停止雪崩電離停止電子漂移區(qū)電子漂移區(qū)整流二極管、穩(wěn)壓二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光敏二極管發(fā)光二極管

43、、光敏二極管隧道二極管隧道二極管一般用途一般用途重?fù)诫s重?fù)诫sp-n結(jié)結(jié)小結(jié)小結(jié) 當(dāng)當(dāng)p-np-n結(jié)的兩邊都是重?fù)诫s時(shí)結(jié)的兩邊都是重?fù)诫s時(shí): (1) : (1) 費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶和價(jià)帶. (2). (2)勢(shì)壘十分薄勢(shì)壘十分薄. . 在外加正向或反向電壓下在外加正向或反向電壓下,有些載流子將可能穿透勢(shì)壘產(chǎn)生有些載流子將可能穿透勢(shì)壘產(chǎn)生額外的電流額外的電流隧道電流隧道電流平衡時(shí)平衡時(shí)四四.p-n.p-n結(jié)中的隧道效應(yīng)結(jié)中的隧道效應(yīng)加正向電壓的情況加正向電壓的情況加反向電壓的情況加反向電壓的情況熱平衡（無(wú)外加電壓）熱平衡（無(wú)外加電壓）擴(kuò)散擴(kuò)散電流電流- +隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)

44、：隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)：溫度影響小、高頻特性良好溫度影響小、高頻特性良好應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達(dá)毫應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達(dá)毫米波段），也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。米波段），也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。 江江崎崎二二極極管管 單位時(shí)間通單位時(shí)間通過過p-n結(jié)的結(jié)的多子數(shù)目起多子數(shù)目起伏小。伏小。一般一般p-n結(jié)結(jié)電子穿過電子穿過勢(shì)壘極其勢(shì)壘極其迅速迅速隧道隧道p-n結(jié)結(jié)型型同型異質(zhì)結(jié)型型異型異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)nnpppnnp五五. . 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)電子親和能電子親和能功函數(shù)功函數(shù)1. p-n型型空穴耗盡空穴耗盡電子耗盡電子耗盡- +2. n-p型型空穴耗盡空穴耗盡電子耗盡電子耗盡3. p-p型型空穴積累空穴積累空穴耗盡空穴耗盡4. n-n 型型電子積累電子積累電子耗盡電子耗