半導(dǎo)體物理與材料

1、半導(dǎo)體物理與材料、器件概論,第三章 PN結(jié)二極管,3.1 介紹,電流在P-N結(jié)二極管中如何流動(dòng).窄基二極管,既能夠說(shuō)明有關(guān)電流的行為,又在理論上表述簡(jiǎn)單,而且又是形成后面雙極晶體管的重要部分.I-V特性; PIN二極管整流器; 高注入效應(yīng)(high-level Injection effect); 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)只討論理想的PIN二極管; avalanche multiplication (雪崩倍增) and breakdown vo

2、ltage（擊穿電壓）; 耗盡層引起的電容和少子存儲(chǔ).二極管中的開關(guān)瞬態(tài); 自由載流子電荷注入和消失; 估計(jì)開關(guān)時(shí)間的簡(jiǎn)單結(jié)論. 二極管I-V特性的溫度依賴性; 金屬-半導(dǎo)體接觸和Schottky二極管.,3.2 窄基區(qū)二極管 (The P+N narrow-base diode),理想P+N 窄基二極管的雜質(zhì)原子濃度的分布圖. P區(qū)的摻雜濃度NA較高, 量級(jí),N區(qū)的摻雜濃度ND從,實(shí)用P+N窄基

3、二極管的結(jié)構(gòu)圖,,,,,,,,,,,,Diffused Layer,,Metal,,Oxide SiO2,,N,,,-wp 0 wn x,N(x),NA,ND,P+N,,,-wp0wn,x,現(xiàn)在考慮當(dāng)二極管加正向偏壓大的電子和空穴分布:,根據(jù)注入定理,耗盡層P一邊的電子濃度np0上升到,,其中np0=ni2/NA是熱平衡時(shí)的P區(qū)的電子濃度.同樣在耗盡層的N側(cè),

4、注入空穴濃度升到:,若沒(méi)有加偏壓,則：,可以假設(shè)電子分布從結(jié)處的np(0)經(jīng)過(guò)距離wp線性減到金屬接觸處的np0;假設(shè)總的耗盡層厚度比中性區(qū)寬度小得多,因此自由載流子的分布就由上圖變?yōu)橄聢D所示: 縱軸是斷續(xù)的以便能夠看出多子濃度分布(比少子大得多）.考慮到電中性,N型區(qū)的電荷之和必須等于0,對(duì)P型一側(cè)也一樣,因此得到:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,-wp 0

5、 wn x,NAN(x)n(x)p(x),SCL,,pp(x)多子,,Pp(0),np0,,,Pn(0),,,np(x)少子,,,np(0),pn(x)少子 p(x),nn(x)多子 n(x),,,,,,ND,,,pn0,,P+N窄基二極管的自由載流子分布圖,若x=0,則有：,nn(0),pp0,nn0,,,熱平衡時(shí),則有：,,,從上圖可以看出：在P區(qū)np(0)-np0與多

6、子濃度NA相比可以忽略，變化量太??；而在N區(qū)，pn(0)-pn0與ND比較，就不能忽略，因此 二極管P區(qū)的電子注入電流比N區(qū)的空穴電流小得多.電場(chǎng)在中性區(qū)是很小的,漂移電流很小,因此少子漂移電流可以忽略，多子擴(kuò)散到對(duì)方，成為對(duì)方的少子，引起對(duì)方少子的增加而產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，空穴電流因此幾乎完全由擴(kuò)散電流引起，在N區(qū):,,加上正向偏壓，代入注入定理：,,乘以二極管的截面積,得到空穴電流為:,,同樣可以得到P側(cè)少數(shù)載流子

7、電子擴(kuò)散電流為:,,二極管中的電子流向左邊,產(chǎn)生從左往右的電流,而空穴也產(chǎn)生從左往右的電流,總電流就是兩個(gè)電流相加.,為了看出其重要性,下面討論一下兩種電流的比值:,,利用 , 得到:,對(duì)一個(gè) 二極管,P區(qū)的摻雜大約是 量級(jí),N區(qū)摻雜是 量級(jí),即使寬度的比值有10倍,那么空穴電流也比電子電流大得多.因此我們可以得到

8、結(jié)論:對(duì)于所有通過(guò)在適中摻雜的半導(dǎo)體背面擴(kuò)散重?fù)诫s制造的二極管,都是由輕摻雜的一邊決定I-V特性.,I-V特性通常寫為：,,對(duì)于P+N（忽略In):,對(duì)于N+P（忽略Ip):,,,,P-N結(jié)二極管的I-V特性,,,,,I,V,I0,3.3 高電流PIN二極管(The high-current PIN diode),理想的摻雜分布,雜質(zhì)在兩端均勻分布,在Wi寬度區(qū)幾乎是本征的(輕N型摻雜),中心區(qū)可以是N或P型輕摻雜.我們假設(shè)中心層是0摻

9、雜.,,,,,,,,,,,wi,NA,ND,,,,,0 wi,p(0)n(x)p(x),n(wi),,,在N-I(intrinsic)結(jié)的本征邊注入電子濃度值可以從注入定理得到,用ni代替nP0.同樣可以得到P-I結(jié)的P本征邊的注入空穴濃度分別是:,ni,PIN二極管雜質(zhì)原子分布,正向偏壓PIN二極管的載流子分布,Va1= Va2=Va/2（P-I,N-I各分去一半),I層,P,N,電流完

10、全是由在Wi區(qū)域內(nèi)的自由載流子電荷復(fù)合所引起的,其壽命是τi.,在實(shí)際應(yīng)用中,Wi與載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度Li接近,Q可以由直角分布近似求出,因此:,,用注入定理取代p(0),則得到I-V特性:,,3.4 大注入 (High-level injection),大注入時(shí)，,,,,,,,,,0 wn x,Pn(0),pn0,,,ND,nn(0),,,n(x)p(x),p(x),,n(x),,根

11、據(jù)注入定理,得：,即：,再根據(jù)3.7式，得：,小注入時(shí)，擴(kuò)散電流占優(yōu)，漂移電流可以忽略，但大注入時(shí)，注入擴(kuò)散區(qū)的少子數(shù)量很大，這種自建電場(chǎng)不能忽略，漂移作用就不能忽略，它對(duì)少子的漂移相當(dāng)于擴(kuò)散增加一倍。從伏安特性看出，大注入下，電流增加緩慢。實(shí)際上由于pn(0)只是接近ND,總是小于ND，因此伏安特性為：,大注入時(shí)，載流子示意圖,3.6 低正向偏壓(Low forward bias),下圖表示了一個(gè)對(duì)稱二極管空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子分布.

12、 先看空穴濃度:,在低的正向偏壓下,P型一側(cè)的空穴濃度與受主濃度相同,也就是pp(0)=NA,因此這個(gè)圖就可以更好地用對(duì)數(shù)-直線來(lái)表示.陰影區(qū)表示過(guò)剩少子電荷.,,,,,,,,,SCL,0偏壓,,正向偏壓np(0),,,pn(0)ni,,nc,,P(x)P,N(x) N,低正向偏壓下空間電荷區(qū)的空穴和電子分布,,,,,,,,,,,-dp 0 dn,ni

13、,nc,,,NAnp(0)np0,NDpn(0)pn0,載流子分布的對(duì)數(shù)-直線圖,,,簡(jiǎn)化為,,,,,,,,,,,,,,由于這個(gè)具有等同載流子壽命τ的電荷產(chǎn)生的電流為:,通過(guò)取幾何平均得到:,,,代入p(0),且令NA=ND,考慮對(duì)稱結(jié),則有:,,電流(I-V特性)因此可以表述為:,是載流子在空間電荷層內(nèi)的指數(shù)衰減特征長(zhǎng)度.,所以復(fù)合電流以exp(Va/2V t)變化,實(shí)際上,變化依照exp(Va/mV t)變

14、化,m介于1-2之間.,,,,,,,,,,,0.3 0.6 0.9 Va/V,I,空間電荷復(fù)合電流m=2,,小注入m=1,,大注入m=2,,電阻區(qū),,PN結(jié)二極管的完全正向I-V特性(log-線性)曲線,實(shí)際上,電流變化依照exp(Va/mV t)變化,m介于1-2之間.三個(gè)區(qū)域的m值為2,1,2.實(shí)際上,并不能完全確定，在1～2之間變化。在很高的電流時(shí),所有二極管

15、將不遵循指數(shù)特征,這是因?yàn)榻佑|電阻和器件不同區(qū)域的電阻都將發(fā)生很大的變化.,在電阻區(qū)，I很大，中性區(qū)電阻和歐姆接觸電阻都不能忽略：,,3.7 反向偏壓(Reverse bias),3.7.1 中等反向偏壓(Moderate reverse bias),在反向偏壓條件下,從N型一側(cè)的空穴注入定理得到:,,由于Va是負(fù)值，因此：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,-wp -dp dn

16、 wn,Pp(0),np(0),,,np(0),,np0,,nn(0),,Pn(0),,pn0,,NA,ND,SCL,反向偏壓的PN結(jié)窄基二極管載流子分布,,,,,梯度擴(kuò)散,,由于加反向偏壓，電場(chǎng)將邊界附近的少子全部掃入（漂移）中性區(qū)，造成邊界少子短缺，SCL區(qū)域就產(chǎn)生載流子彌補(bǔ)邊界少子，因而形成一梯度，向邊界自發(fā)擴(kuò)散，再被掃入中性區(qū)，形成反向電流，由于少子濃度很小，因而電流很小。反向電流叫空間電荷產(chǎn)生電流。,ni,,ni,,空間電荷

17、產(chǎn)生電流為：,,Q是ni的電荷,這個(gè)電荷可以簡(jiǎn)化為:,因此有:,,,,dn和dp隨著偏壓增加而增加，因而反向電流也隨偏壓增加而增大。,3.7.2 大反向偏壓（Large reverse bias）雪崩倍增(avalanche multiplication) 和擊穿（breakdown）,反向偏壓的增加,會(huì)出現(xiàn)雪崩倍增。對(duì)一個(gè)厚度為1μm的耗盡層,加10V電壓,則電場(chǎng)為 ,在空間電荷層

18、的載流子將加速到充分高的速度與晶格原子碰撞,從而能把電子從晶格碰撞出來(lái),因此產(chǎn)生電子-空穴對(duì).新的電子和空穴朝相反方向漂移,同時(shí)又被加速,又進(jìn)行新的碰撞,產(chǎn)生新的電子和空穴,如此繼續(xù),這種情況叫做倍增效應(yīng).如果電場(chǎng)足夠高,距離足夠大,倍增就會(huì)無(wú)限增加,從而產(chǎn)生大的電流.,+,-,,,,-,-,-,-,+,,,,,,C,C,在高反向偏壓下由于碰撞電離而

19、 而產(chǎn)生載流子的倍增,C:Collision,當(dāng)電流趨于無(wú)窮大時(shí)的最大的反向電壓稱為雪崩擊穿電壓Vbr.倍增因子M有如下的經(jīng)驗(yàn)公式:,雪崩擊穿,當(dāng)電流趨于無(wú)窮大時(shí)，二極管就會(huì)擊穿，此時(shí)最大的反向電壓稱為雪崩擊穿電壓。,,典型數(shù)據(jù): 對(duì)于一個(gè)輕摻雜為1016的水平,從3.41式計(jì)算出Vbr=28V,從2.62式得到相應(yīng)的ND層厚度為,齊納（Zener)擊穿,對(duì)于PN結(jié)兩邊都是高摻雜的情形(高簡(jiǎn)并

20、),空間電荷層變得十分薄,電場(chǎng)在低反向偏壓或0偏壓下可以達(dá)到 ,在這種情況下,載流子移動(dòng)的距離小,無(wú)法出現(xiàn)上述碰撞電離的現(xiàn)象,會(huì)表現(xiàn)出一種新的機(jī)制- 隧道電流和Zener breakdown(齊納擊穿).這可以看作高電場(chǎng)直接破壞共價(jià)鍵而產(chǎn)生自由電子,導(dǎo)致電流增加.超過(guò)6V雪崩擊穿占優(yōu)勢(shì),低于6V, Zener機(jī)制占優(yōu)勢(shì).,下面計(jì)算一些數(shù)據(jù),研究耗盡層的性質(zhì),結(jié)兩邊的摻雜超過(guò)1019,根據(jù)2

21、,43式得到:,一邊的耗盡層厚度(自建勢(shì)壘的一半)由2.54式:,隨著摻雜的進(jìn)一步提高(高簡(jiǎn)并),,比如超過(guò) ,這種二極管叫做隧道二極管,其I-V特性出現(xiàn)一個(gè)負(fù)微分電阻效應(yīng),因而用于微波放大或微波振蕩應(yīng)用,結(jié)一邊的導(dǎo)帶電子在高電場(chǎng)作用下,直接通過(guò)隧道效應(yīng)穿透到另一邊的價(jià)帶或相反,隧穿時(shí)間很短,因而可以用于高頻如微波.,不同摻雜的結(jié)的I-V特性曲線a:NA=ND= ; b: ; c:

22、 (隧道二極管),,,,,,,,,,,,(a) (b) (c),VP VV Va,IIPIV,,-Vbr,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ec,Ev,EF,,,Eg,平衡時(shí)的隧道結(jié)陰影代表電子占據(jù)的能態(tài)EF以下，高簡(jiǎn)并，因此費(fèi)米級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶中,,,P,N,(2) 加正偏壓（較?。妷?＜V＜Vp，電壓增加，重疊區(qū)增加，電流增

23、加,,,,,隧道二極管的電流變化過(guò)程,滿帶與空帶有重疊，電子流動(dòng),,,EFp,EFn,,空間電荷區(qū)非常薄,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ev,,Eg,,Ec,,(3)當(dāng)V=Vp時(shí),重疊區(qū)域達(dá)到最大,,,EFn,EFp,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ev,,Eg,,Ec,,(4) 正偏繼續(xù)增加,EFn,EFp,重疊區(qū)域開始減小，電流開始變小,,,,(5) 當(dāng)V=VV時(shí),,

24、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ev,,Eg,Ec,,(6) V再增加，與普通的pn結(jié)一樣,沒(méi)有重疊區(qū)域，電流達(dá)到最小,,EFn,EFp,二極管完整的I-V特性曲線.重要參數(shù)有: (1)反向擊穿電壓;(2)電流變化為最大時(shí)的正向電壓降(對(duì)硅二極管通常是1V以下); (3)這個(gè)最大的電流值.要注意的是擊穿電壓僅僅依賴于摻雜水平和二極管輕摻雜區(qū)的厚度;對(duì)給定正向電壓的最大電流值依賴于輕摻雜區(qū)的摻雜水平和截面積.,,,

25、,I,空間電荷復(fù)合電流m=2,,小注入m=1,,大注入m=2,,電阻區(qū),,0.5 1 Va/V,,,空間電荷產(chǎn)生電流,,雪崩倍增區(qū),,,-Vbr,二極管完全I(xiàn)-V特性曲線,3.8二極管小信號(hào)電容和等效電路(Diodes small-signal capacitance and equivalent circuits),3.8.1耗近層電容(Depletion-layer

26、capacitance),由于外加電壓導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)空間電荷的變化產(chǎn)生的電容叫勢(shì)壘電容（耗盡層電容）?？臻g電荷的變化是由于外加電壓導(dǎo)致進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)的空穴和電子的“存入”、“取出”引起的。正偏時(shí)，“存入”多，中和了空間電荷，空間電荷數(shù)量就減少，反之則增多。,,,,,,,,,,,dp dn,qND,-qNA,?Q,,,為計(jì)算耗盡層電容增加的電荷量,一個(gè)二極管的無(wú)論是在正向或反向偏壓下,耗盡層的兩邊都包含一定的電荷Q,且:,如果偏壓增加dV,

27、每一邊的電荷增加dQ,如右圖所示.這種情況就如同平行板電容器的情形.,用平行板電容器的公式寫出結(jié)的耗盡層電容:,,通過(guò)給二極管施加一個(gè)直流電壓,同時(shí)施加小信號(hào)正弦電壓,測(cè)量電流變化,就可以得到電容.,對(duì)于P+N二極管,由于,因此電容變?yōu)?,,代入dn,得到耗盡層電容：,,,其中C0是外加電壓Va=0時(shí)的結(jié)電容,此時(shí)Vjtot=Vbi.,如果畫 圖,則從x軸的截距可以得到Vbi.,對(duì)一個(gè)線性緩變結(jié),從方程2.

28、67知道總電壓正比于 ,電容也正于 .根據(jù)電容和電壓的曲線可以確定雜質(zhì)分布的重要信息.電壓依賴于結(jié)電容可以有直接的應(yīng)用,如制作變?nèi)荻O管,它可以用于調(diào)諧目的(施加于二極管的直流電壓可以用來(lái)改變振蕩電路的共振頻率),或用于頻率倍增.變?nèi)荻O管的非線性電容,可以用于非線性混沌電路實(shí)驗(yàn).利用耗盡層電容還可以直接制作集成電路中的小電容,因?yàn)殡娙莸闹谱鬟^(guò)程就是PN結(jié)的制作過(guò)程,它與整個(gè)集成電路是相容

29、的.,3.8.2擴(kuò)散電容(Diffusion capacitance),由于外加電壓導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)（中性區(qū)）非平衡載流子濃度的變化引起電荷的變化產(chǎn)生的電容叫擴(kuò)散電容。正向偏壓下，為了形成正向電流，注入P區(qū)的少子（電子）在靠近P區(qū)與勢(shì)壘區(qū)邊界一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)有積累，形成濃度梯度，越靠近勢(shì)壘區(qū)，濃度越大。同樣在N區(qū)邊界有空穴積累且濃度（梯度）隨電壓發(fā)生變化，就是擴(kuò)散電容。,,,,,,,,,,,,,,pn0,Pn(0),0

30、 x wn,dQp,,為計(jì)算擴(kuò)散電容的P+N結(jié)窄基二極管在偏壓Va和Va+dva時(shí)N區(qū)空穴分布,三角形分布的過(guò)剩空穴電量為:,,,由這個(gè)電量引起的小信號(hào)擴(kuò)散電容可以定義為:,,因?yàn)閿U(kuò)散電流I和Qp都正比于exp(Va/Vt),因此,這個(gè)比值具有時(shí)間的量綱,時(shí)間常數(shù)為（正向擴(kuò)散電流占優(yōu)）:,,可以寫為：,即：,這個(gè)時(shí)間就是空穴擴(kuò)散Wn距離的時(shí)間,叫做二極管基本渡越時(shí)間(base trans

31、it time).,而dI/dVa項(xiàng)是I-V特性曲線在給定電流I的斜率,如圖,實(shí)際上就是給定電流的二極管的小信號(hào)電導(dǎo)gs,當(dāng)然也可以定義小信號(hào)電阻rd=1/gs.根據(jù)I-V特性:,,如果對(duì)于正向偏壓Va大于0.1V,則exp(Va/mVt)＞＞1,忽略伏安特性中“-1”項(xiàng)，用I來(lái)代替,則:,因此擴(kuò)散電容為:,這個(gè)分析忽略了當(dāng)施加交流電時(shí),并不是所有電荷都能夠恢復(fù)這個(gè)事實(shí).有些電荷擴(kuò)散到了在Wn的歐姆接觸點(diǎn),從而流失.更精確的結(jié)果是上

32、式電容再乘以系數(shù)2/3.,,,,,,,I,Va,二極管I-V特性曲線的小信號(hào)電導(dǎo)dI/dVa,可以看出，反偏時(shí)，I趨于0，gs趨于0，因此擴(kuò)散電容趨于0 .,對(duì)于PIN二極管,也可以進(jìn)行同樣的分析,自由載流子和電流都正比于注入載流子濃度.實(shí)際上這種情況下Q/I的比值等于載流子的壽命τ,因此擴(kuò)散電容為:,,這個(gè)結(jié)果也可以用于其它二極管(寬基,P+NN+).,,,,,,,,,,,,,,,,,,Rs,rd,Cdiff C

33、j,二極管的小信號(hào)等效電路,Rs是考慮材料體電阻和歐姆接觸電阻的串聯(lián).在反向偏壓下,電路中只有Rs和Cj保留,因?yàn)閞d變?yōu)闊o(wú)窮大(gs=0),Cdiff變?yōu)?. 正偏時(shí)，因?yàn)閿U(kuò)散電容正比于電流,并且隨exp(Va/Vt)變化,這就使在大的正向偏壓下,擴(kuò)散電容占優(yōu)勢(shì)，但是也不能忽略耗盡層電容.在小于0.5V的偏壓下,耗盡層電容占優(yōu)勢(shì).,3.9二極管的開關(guān)行為(Diode switching behavior),突然給一個(gè)二極管施加

34、一個(gè)正向電壓,如圖(a)所示，相應(yīng)的電壓和電流波形如(b).（1）理想情況下，沒(méi)有串聯(lián)電阻,○,,○,,,,,,,,,,,,,,,,S,V,I,,,,,,Turn-on,Turn-off,,,,,,,,,,,,,,,,0 t,,I,V0,0 2 1 3 4,1’3’ 2’ 4’ 5’,,,,,,,,,Pn(0),pn0,pn0,0 (c)

35、 wn,,0,1,2,3,4,t,負(fù)梯度逐漸變小，最終達(dá)到穩(wěn)定,,(a)電路;(b)電壓和電流波形;(c)在”開”狀態(tài)的空穴分布;(d)在”關(guān)”狀態(tài)的空穴分布,,,,,Pn(0),pn0,pn0,0 wn,t,正梯度逐漸變小，最終穩(wěn)定,,,,,,,,1’,2’,3’,4’,5’,,(a),(b),(d),,,在t=0時(shí)刻的空穴濃度,根據(jù)注入定理等于:

36、,,空穴濃度梯度的初始值就是一個(gè)很大的負(fù)值(沒(méi)有串聯(lián)電阻時(shí)是無(wú)窮 大),如圖(c)曲線1.電流因此開始時(shí)是一個(gè)很大的尖狀正值,圖(b), Ip=-qADpdp/dx.隨著空穴在N區(qū)擴(kuò)散,濃度梯度dp/dx逐漸減小到穩(wěn)態(tài)值,電流也衰減到由二極管I-V特性決定的DC值.建立這種穩(wěn)態(tài)的時(shí)間可與N區(qū)的擴(kuò)散渡越時(shí)間tb相比擬.圖(c)中的1,2,3,4曲線與圖(b)中

37、的時(shí)間1,2,3,4對(duì)應(yīng).經(jīng)過(guò)時(shí)間tb，空穴從0擴(kuò)散到wn.,如果電壓突然關(guān)掉為0,相反的情況就發(fā)生.空穴濃度pn(0)突然降到0,因此引起一個(gè)正的大的濃度梯度和一個(gè)大的負(fù)的尖狀電流.然后濃度和電流逐漸趨向穩(wěn)態(tài)平衡值,如圖(d)所示.,（2）實(shí)際情況下，有串聯(lián)電阻,這個(gè)電阻通過(guò)限流,來(lái)決定二極管的開關(guān)特性更為有用.電源電壓至少幾伏,比二極管”開”狀態(tài)的0.7V要大,此時(shí)電流大約是Va/R.空穴濃度梯度現(xiàn)在大致是常數(shù)(因?yàn)镮p=-q

38、ADpdp/dx).,○,,○,,,,,,,,,,,,,,,,S,V,I,(a),,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,Va/R,-0.7/R,,V,,,,,0.7V,2 (b) 1 3 4,1’ 3’ 2’ 4’ 5’,,,,,,,,,Pn(0),pn0,pn0,0 (c) wn,1,2,3,4,t,最終達(dá)到穩(wěn)定,,,,,,,Pn(0),

39、pn0,pn0,0 (d) wn,最終穩(wěn)定,,1’,2’,3’,4’,5’,,,,,,,t,,0,0,,R,有串聯(lián)電阻的二極管開關(guān)(a):電路;(b):電壓和電流波形;(c)在”開”狀態(tài)的空穴分布;(d)在”關(guān)”狀態(tài)的空穴分布,○,,○,,,,,,,,,,,,,,,,S,V,I,(a),,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,Va/R,-0.7/R,,V,,,,,0.7V,2

40、 (b) 1 3 4,1’ 3’ 2’ 4’ 5’,0,0,,電壓主要降落在R上，二極管上只有0.7伏,二極管上的電壓Va逐漸增加到0.7伏,正向?qū)ǎO管電阻接近0，因此I=Va/R,電源電壓突然為0，二極管上的電壓0.7伏，要突然降落到R上而總電壓要為0，因此R上的電壓降就為-0.7伏，電流反向。因?yàn)槎O管的電壓從0.7V到0緩慢衰減,所以反向電流從-0.7/R開始并向0衰減.,R,,,,,,

41、,,,Pn(0),pn0,pn0,0 (c) wn,1,2,3,4,t,最終達(dá)到穩(wěn)定,,,,,,,Pn(0),pn0,pn0,0 (d) wn,最終穩(wěn)定,,1’,2’,3’,4’,5’,,,,,,,t,,每條曲線說(shuō)明二極管的電壓Va逐漸增加，因此從注入定理，少子濃度逐漸增加，達(dá)到穩(wěn)定。,每條曲線說(shuō)明二極管的電壓Va緩慢衰

42、減，因此從注入定理，少子濃度逐漸減小，達(dá)到穩(wěn)定。,3.10二極管直流特性的溫度依賴性(Temperature dependence of diode DC characteristics),從前面的3.11,3.18式,可以寫出通用的二極管I-V特性:,,,,通常將I-V特性寫為:,m=1,m=2,對(duì)于情況(1),m=1,(2),m=2.檢驗(yàn)電流對(duì)溫度的依賴性，就是看溫度有一個(gè)小的增量,電流增加多少.,從中我們可以得到結(jié)論:溫度在室溫附

43、近上升10℃,電流平均變?yōu)樵瓉?lái)的2倍.,為了確定在給定電流時(shí)電壓對(duì)溫度的依賴性，對(duì)3.62式重新改寫，保持電流不變:,對(duì)溫度進(jìn)行微分:,在室溫附近,由于對(duì)偏壓和工作區(qū)域的依賴,二極管電壓減小的范圍從0.5-2.6mV.這是一個(gè)重要的結(jié)果,因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)電路中,正向偏壓的二極管電流總是保持為一定的常數(shù).,溫度特性可以用來(lái)進(jìn)行控溫和測(cè)量溫度,例如半導(dǎo)體溫度計(jì).,3.11 金屬-半導(dǎo)體接觸和Schottky二極管(Metal-semi con

44、tacts and the Schottky diode),下圖是金屬與半導(dǎo)體接觸形成的能帶系統(tǒng).注意,很多書中把金屬的功函數(shù)單位表示為eV,在本書中,用V表示.,,,,,,,,,,,,,金屬-半導(dǎo)體接觸能帶圖, φm＞χs, (a)分離狀態(tài); (b)接觸狀態(tài),,,,,,,N,N,ECEFEV,,,,,(EF)m,,,勢(shì)壘區(qū)（阻擋層）,,,1&

45、#197;,,100Å,,勢(shì)壘區(qū)厚度主要在半導(dǎo)體一側(cè)，金屬中電子濃度很高，電子集中在表 面1Å左右。,金屬的功函數(shù)為qφm,它是把電子從金屬表面逸出所需要的能量.在金屬中,Fermi能級(jí)是在導(dǎo)帶內(nèi),幾乎所有的電子填充了Fermi能級(jí)和導(dǎo)帶之間的區(qū)域.在半導(dǎo)體中電子的親和能就是從導(dǎo)帶邊移走電子所需要的能量 qχs,用功函數(shù)qφs表示到Fermi能級(jí). 當(dāng)兩種材料結(jié)合在一起時(shí),Fermi能級(jí)對(duì)齊,如上圖所

46、示,正常情況下, φm＞φs,（說(shuō)明半導(dǎo)體中的電子容易逸出）電子從半導(dǎo)體逸出到金屬,因此在金屬內(nèi)留下一個(gè)正電壓.能帶邊就因此在表面彎曲,如上圖所示.一個(gè)勢(shì)壘φb就象PN結(jié)中的勢(shì)壘一樣存在于半導(dǎo)體和金屬之間.,,金屬-半導(dǎo)體勢(shì)壘叫做Schottky勢(shì)壘,由此制造的二極管叫做Schottky二極管.,,,,,,,,,,,,,,P,N,,,,金屬,金屬,金屬-P-N-金屬系統(tǒng)的簡(jiǎn)化能帶圖,金屬-P-N-金屬系統(tǒng),在熱平衡狀態(tài),Fer

47、mi能級(jí)必須處處相同. 很明顯,在上述條件下, 金屬-半導(dǎo)體勢(shì)壘會(huì)存在二極管的兩邊,在這種方式下,所有三個(gè)勢(shì)壘之和為0,即:,,因此當(dāng)兩個(gè)金屬連接起來(lái)時(shí),沒(méi)有電流流動(dòng),沒(méi)有外部勢(shì)壘存在.,金屬半導(dǎo)體接觸有兩種類型：,1. 歐姆接觸,如果二極管有好的歐姆接觸,外加電壓就是PN結(jié)的電壓.為了有良好的歐姆接觸,半導(dǎo)體必須進(jìn)行重?fù)诫s(在N側(cè)接觸點(diǎn)附近是 ,在P側(cè)是 ).這將進(jìn)一步引入兩個(gè)小勢(shì)壘,圖中沒(méi)有畫出.

48、 在金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí),參考圖3-29,如果施主濃度非常高,耗盡層(能帶彎曲處)就很窄(見(jiàn)以下討論),電流在隧道中流動(dòng)就象重?fù)诫s的 結(jié)一樣（隧道電流）.在高性能電子器件中,接觸電阻要低于 .這就是摻雜超過(guò) 的金屬-半導(dǎo)體結(jié)所要達(dá)到的數(shù)值. 金屬-半導(dǎo)體接觸的重要應(yīng)用之一就是歐姆接觸作為器件的引線,其電阻要與半導(dǎo)體體電阻相比可以忽略,不能

49、影響器件的性質(zhì).,就是Schottky勢(shì)壘二極管（SBD),制作過(guò)程是把適中摻雜的N區(qū)與金屬Al接觸.其I-V特性與PN結(jié)二極管相類似,但是電流主要是多子與熱電子發(fā)射引起。 當(dāng)金屬Al與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于φm＞φs,半導(dǎo)體中的電子將轉(zhuǎn)移到金屬中，平衡時(shí)形成Schottky勢(shì)壘，正向時(shí)，金屬+，半導(dǎo)體-，外加電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，半導(dǎo)體中的電子（多子）流向金屬，形成一正向電流；反向時(shí)，勢(shì)壘變高,電場(chǎng)阻擋電子向金屬流動(dòng)，只有少

50、數(shù)能量大（熱電子發(fā)射）的電子穿過(guò)勢(shì)壘到金屬中，反向電流很小，說(shuō)明金屬-半導(dǎo)體接觸有類似于PN結(jié)的整流效應(yīng)。,2. 整流接觸（ Schottky接觸）,根據(jù)擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論，電流密度為：,,其中A*是有效的Richardson常數(shù)(= ). Schottky二極管的正向I-V特性與二極管相比,如圖所示.正向”Knee”電壓或閾值電壓比二極管稍小一些.而反向電流比二極管要大得

51、多.,,,,,I,V,PN結(jié),Schottky,相同面積的Schottky二極管和PN結(jié)二極管的I-V特性,,,因?yàn)楹谋M層只向半導(dǎo)體材料中擴(kuò)展,二極管的耗盡層厚度dn由單邊突變結(jié)公式3.46確定，即：,并且從3.47式得到勢(shì)壘電容:,要注意的是,因?yàn)樵谛ぬ鼗O管中只涉及多子熱電子發(fā)射過(guò)程,沒(méi)有少子積累過(guò)程，因此沒(méi)有少子電容.二極管的速度只受到上述耗盡層電容的限制,因此這種二極管可以用于高速開關(guān)以及微波技術(shù).因?yàn)檫@種高速的優(yōu)點(diǎn)以及低的”

52、knee”(抬頭)電壓,肖特基二極管在鉗壓電路應(yīng)用廣泛(肖特基TTL和STL邏輯家族).,相當(dāng)于PN結(jié)的Vbi,3.12 小結(jié),介紹了窄基二極管;PIN二極管的特性;空間電荷復(fù)合引起的低正向偏壓的行為,這對(duì)所有類型的二極管都是適用的.對(duì)反向偏壓的討論從空間電荷產(chǎn)生開始,然后討論了雪崩倍增和擊穿;給出了全面的I-V特性; 推導(dǎo)了小信號(hào)耗盡層和擴(kuò)散電容,引出了二極管的小信號(hào)等效電路,用于高頻模式.討論了二極管的開關(guān)行為,強(qiáng)調(diào)電流開關(guān);