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1、微电子技术专业,半导体器件,第1章 半导体特性第2章 P-N结讲授教师：马 颖,第 1 章,半导体特性,1 半导体的晶格结构、各向异性掌握几种典型材料的计算2 半导体的导电性 熟悉影响半导体导电性能的因素3 半导体中的电子状态和能带了解相关概念，及Eg的指导工艺4 半导体中的杂质与缺陷了解两者的分类及特点掌握施、受主杂质及其能级的概念,5 载流子的运动熟悉载流子浓度公式与EF位置的关系漂移运动与扩散运动的特点掌握杂质半导体的载流子浓度计算、材料电阻率电导率的计算6 非平衡载流子了解非平衡载流子的产生和复合概念寿命及其测量方法几种复合理论的概念及特点,一、半导体的晶格结构、各向异性,晶体有哪5种
2、常见的晶体结构，都有哪些典型的元素。,简单立方结构 钋(Po)体心立方结构钠（Na）钼（Mo）钨（W）面心立方结构铝（Al）铜（Cu）金（Au）银（Ag）金刚石结构碳（C）硅（Si）锗（Ge）闪锌矿结构 砷化镓(GaAs)磷化镓(GaP)硫化锌(ZnS)硫化镉(CdS),一、半导体的晶格结构、各向异性,金刚石结构和闪锌矿结构有什么区别（在结构、元素、化学键各方面描述）。,由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。,结构,正四面体结构,共价键概念,金刚石结构,闪锌矿结构,族元素如Al、Ga、In和族元素如 P、As、Sb合成的-族化合物都是半导体材料，为极性半导体。
3、,族元素中的硅(Si)、锗(Ge)课构成纯净的半导体材料，为单元素半导体。,元素,化学键,金刚石结构,闪锌矿结构,混合键：共价键+离子键,一、半导体的晶格结构、各向异性,掌握几种晶格结构单胞的空间比率计算。每个单胞中的原子数n每个原子的半径r每个原子的体积V原子=4r3/3最大空间比率=n V原子/V单胞掌握硅、锗两种材料的原子数密度和质量密度的计算。,一、半导体的晶格结构、各向异性,什么是晶体的各向异性？表现在哪些方面？用什么来表示，这2者有何关系？,沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同。,晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜
4、量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。,一族平行晶面用晶面指数（密勒指数），“（hkl）”来表示一族平行线所指的方向用晶列（晶向）指数，“hkl”来表示,相同指数的晶面和晶列互相垂直，如100定义为垂直于（100）平面的方向。,一、半导体的晶格结构、各向异性,密勒指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。,晶向指数是这样得到的：（1）晶列指数是按晶列矢量
5、在坐标轴上的投影的比例取互质数（2）将此结果以“hkl”表示,二、半导体的导电性,影响半导体材料导电性能的因素有哪些？,半导体的电性能有哪些？,温度、光照、杂质，还有电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。,热敏特性、光敏特性、掺杂特性,现今硅已取而代锗成为半导体制造的主要材料。主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。,三、半导体中的电子状态和能带,电子公有化的概念及特点,由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电
6、子共有化。内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。,能级的概念,原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也就是电子的能量只能取一系列不连续的可能值，这种量子化的能量称为能级。,能带的概念,晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原先每个原子中具有相同能量的电子能级分裂成N个与原来能级很接近的能级，形成一个“准连续”的能带。,能带中的几个基本概念：允带、禁带、空带、满带、半满带,三、半导体中的电子状态和能带,允带,禁带,满带,空带,允许电子存在的一系列准连续的能量状态,禁止电子存在的一系列能量状态,被电子填充满的一系列准连续的能量状态 满带不导电,没有电
7、子填充的一系列准连续的能量状态 空带不导电,半满带,被电子部分填充的一系列准连续的能量状态 半满带中的电子可以参与导电,半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、价带顶、禁带宽度。,三、半导体中的电子状态和能带,导带,价带,有电子能够参与导电的能带，在半导体材料中由价电子形成的高能级能带通常称为导带。,由价电子形成的能带，在半导体材料中由价电子形成的低能级能带通常称为价带。,导带底EC,价带顶EV,导带电子的最低能量,价带电子的最高能量,Ec,Ev,半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、价带顶、禁带宽度。,三、半导体中的电子状态和能带,禁带宽度/Eg,导带和价带之间的能级宽度，Eg=E
8、c-Ev绝缘体：Eg=36eV半导体：硅1.12eV、锗0.67 eV、砷化镓1.42 eV,Ec,Ev,利用各种半导体材料的不同禁带宽度可以在器件生产工艺中给予指导。,禁带宽度大Eg的材料常用来制备高温工作的器件。选择材料的禁带宽度正好与可见光的光子能量相匹配，可制备可见光发射器件。禁带宽度小Eg的材料可用来制备红外探测器。,简述空穴的概念。,三、半导体中的电子状态和能带,当外界条件发生变化时，半导体满带中少量电子可被激发到上面的空带中去，使导带底附近有了一些电子，同时价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，价带即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电
9、作用，相当于把这些空的量子状态看作带正电荷的“准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。,本征激发的概念。,由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即“准自由”电子的过程。,杂质和缺陷对导电性能产生影响的机理是什么？,四、半导体中的杂质和缺陷,由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。,实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？,原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近震动。半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质。实
10、际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷。,写出常见杂质的种类并举例。,四、半导体中的杂质和缺陷,1、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质；原子半径一般比较小，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。2、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂质。原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。如、族元素在族元素硅、锗晶体中都是替位式杂质。,杂质的主要来源有哪些？,1、制备半导体的原材料纯度不够高；2、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；3、为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。,四、半导体中的杂
11、质和缺陷,施、受主杂质的概念及其特点？,在纯净的半导体材料中掺入族元素杂质，形成施主杂质或 N 型杂质。在常温下，杂质都处于离化态，施主杂质向导带（导带或价带）提供电子（空穴或电子）并形成正电（正电或负电）中心，成为主要依靠电子（空穴或电子）导电的半导体材料。在纯净的半导体材料中掺入族元素杂质，形成受主杂质或 P 型杂质。在常温下，杂质都处于离化态，受主杂质向价带提供空穴并形成负电中心，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。,施主能级与受主能级的位置。,四、半导体中的杂质和缺陷,施主能级ED，位于离导带底很近的禁带中，比导带底Ec低ED。受主能级EA，位于离价带顶很近的禁带中，比价带顶Ev高EA。
12、,从能带角度分析为什么掺入施主或受主杂质后半导体的导电性能能大大加强。,四、半导体中的杂质和缺陷,实验测得，族元素原子（施主杂质）在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为0.01 eV，其电离能比硅、锗的禁带宽度小得多。使得多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子，从而增强了半导体的导电性。同样，族元素原子（受主杂质）在硅、锗中的电离能也很小，在硅中约为0.0450.065eV，在锗中约为0.01 eV。使得多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴，从而增强了半导体的导电性。,什么是浅能级？,四、半导体中的杂质和缺陷,很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级。,什么是深能级
13、？主要由什么杂质元素引入？有什么特点？,非、族元素掺入硅、锗在禁带中引入的施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶也较远，这种能级称为深能级，相应的非、族元素杂质称为深能级杂质；这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心，它们引入的能级就称为复合中心能级。,什么是杂质的补偿作用？,四、半导体中的杂质和缺陷,施主和受主杂质之间有相互抵消的作用。,什么是缺陷？,当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏时就形成了各
14、种缺陷。,缺陷的分类？,点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子。线缺陷：如位错。面缺陷：如层错等。,四、半导体中的杂质和缺陷,点缺陷：如空位，间隙原子；替位原子（反结构缺陷）；肖特基缺陷：只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷。弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现的缺陷。这两种缺陷均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。线缺陷：如位错 晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称为位错，可分为刃型位错和螺型位错。位错能级都是深受主能级。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的N型硅、锗中的载流子浓度降低，而对P型硅、锗却没有这种影响。面缺陷：如层错等。,在-
15、族化合物中，点缺陷的形成因素：,热振动，成分偏离正常的化学比,五、载流子的运动,载流子的产生有哪些情况？,本征激发：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离：当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。,电子从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量的过程。,什么是载流子的复合？,什么是热平衡状态？,在一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起动态平衡，即单位时间内产生的电子-空穴对数等于复合掉的电子-空穴对数，称为热平衡状态。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。,五、载流子的运动,什么是有效质量？,引入有效质量
16、概念的意义？,把电子受到的内部势场作用等效为晶体中的电子质量，称为电子的有效质量m*。,引入有效质量的意义在于，它概括了内部势场对电子的作用，而把电子运动的加速度与外力直接联系起来，从而使分析简化。特别是有效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。,五、载流子的运动,写出费米-狄拉克分布函数的表达式,什么是费米能级？,能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率,费米能级EF是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量
17、零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。,五、载流子的运动,分析费米-狄拉克分布函数的意义（特性）,当T=0K时，若EEF，则f（E）=0,在绝对零度时，能量比EF小的量子态被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上都是有电子的；能量比EF大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,当T0K时，若E1/2若E=EF，则f（E）=1/2若E EF，则f（E）1/2,当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于5
18、0%；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于50%。,五、载流子的运动,载流子浓度与费米能级位置的关系,本征半导体（一块没有杂质和缺陷的半导体），n0=p0，本征费米能级Ei大致在禁带的中央；N型半导体 n0p0，费米能级比较靠近导带；P型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。,五、载流子的运动,本征半导体载流子浓度公式及其影响因素,式（1-11）,一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上升而迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子
19、浓度ni就越小。,公式n0p0=ni2 的适用范围,在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含杂质无关。该式不仅适用于本征半导体，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。,五、载流子的运动,杂质半导体载流子浓度公式及计算,表1-1 300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度,N型半导体,P型半导体,(ND为施主杂质浓度),(NA为受主杂质浓度),多子浓度,少子浓度,多子浓度,少子浓度,同时掺入P型杂质和N型杂质时,五、载流子的运动,载流子的漂移运动和扩散运动是由什么引起的？,漂移运动是半导体中的载流子在电场作用下的运动。扩散运动
20、是由粒子浓度不均匀所引起的运动。,欧姆定律的微分形式？,半导体的电导率及其计算？,电导率,N型,P型,本征半导体n0=p0=ni,杂质半导体：,五、载流子的运动,半导体的总电流？,扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的总电流。,电子电流密度,空穴电流密度,迁移率：反映载流子在电场作用下运动难易程度；扩散系数D：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。,爱因斯坦关系式？,反映了载流子迁移率和扩散系数之间的关系。,六、非平衡载流子,产生非平衡载流子的方法？,非平衡载流子都是指多子还是少子？,电注入，光注入,非平衡载流子都是指非平衡少数载流子,非平衡载流子的产生和复合过程。,如果对半导体施加外加作
21、用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。,产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。,六、非平衡载流子,什么是非平衡载流子的寿命？,非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用表示。非平衡载流子的寿命通常指少数载流子的寿命。,当t=，则p(t)=(p)0/e 寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原来数值的1
22、/e所经历的时间。,锗比硅容易获得较高（高或低）的寿命,很大程度上反映了晶格的完整性，是衡量材料质量的一个重要标志，故常被称作“结构灵敏”的参数。,六、非平衡载流子,非平衡载流子寿命的检测方法？,直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；光磁电法；扩散长度法；双脉冲法；漂移法。,影响非平衡载流子寿命的因素？,材料的种类杂质的含量（特别是深能级杂质）缺陷的密度表面状态外部条件（外界气氛）,什么是直接复合？什么是间接复合？,六、非平衡载流子,直接复合，即电子在价带和导带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；间接复合，即非平衡载流子通过复合中心的复合。,根据复合发生的位置，又可以将它分为体内复合和表面
23、复合，表面复合属于间接复合。就能量传递的方式来讲，俄歇复合是能量以声子方式传递。,六、非平衡载流子,在小禁带的半导体中，直接复合占优势。,一般来说，禁带宽度越小，直接复合的几率越大。寿命与多数载流子浓度成反比，或者说，半导体电导率越高，寿命就越短。,硅和锗的寿命主要是由间接复合决定的。,能促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比。,第 2 章,P-N结,1 PN结及其能带图 了解PN结的形成及其制作方法，杂质分布，熟悉PN结的能带图特点。2 平衡PN结 了解平衡PN结的形成过程，空间电荷区、势垒区、耗尽层的概念，接触电势差，熟悉平衡PN结的特点，载流子浓度与势
24、垒宽度的关系。3 PN结的直流特性 掌握非平衡PN结外加正/反向电压时的特点，掌握PN结的伏安特性（单相导电性）；了解理想PN结的条件，表面对漏电流的影响，影响PN结伏安特性偏离理想方程的各种因素。4 PN结电容 了解分类及特点，掌握施、受主杂质及其能级的概念。5 PN结击穿 了解分类及产生的机理，影响雪崩击穿的因素；熟悉雪崩击穿和隧道击穿的区别。,一、PN结及其能带图,PN结的形成。,在一块N型(或P型)半导体单晶上，用适当的工艺把P型（或N 型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在两者的交界面处就形成了P-N结。,按制作PN结的半导体单晶材料不同可分类为
25、：,用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结。由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。,按PN结中杂质分布的情况不同可分类为：,突变结:在交界面处，杂质浓度从NA（P区）突变为ND（N区）。缓变结:杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的。,一、PN结及其能带图,合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。,PN结的制作方法。,合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结，而低表面浓度的深扩散结一般可认为是线性缓变结。,内建电场的方向是从N区指向P区。,PN结的能带图特点。,当两块半导体结合形成P-N结时，EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。P
26、-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态。,P区的电势能比N区的电势能高qVD（高或低多少）,一、PN结及其能带图,对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区；同理，在P-N结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区。,空间电荷区的概念。,耗尽层的概念。,室温附近，空间电荷区的载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称空间区为耗尽层。,在P-N结的空间
27、电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能达到P区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从P区到达N区。这一势能“高坡”通常称为P-N结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。,势垒区的概念。,二、平衡PN结,平衡PN结的特点。,一定宽度和势垒高度的势垒区；内建电场恒定；净电流为零；费米能级处处相等。,什么是接触电势差?,P区导带和价带的能量比N区的高qVD。接触电势差VD就是P型和N型半导体中原先费米能级之差。,势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。,二、平衡PN结,势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。势垒区主要向杂质浓度低的
28、一边扩散。,在平衡突变结势垒区中，电场的方向从N区指向P区。在交界面处，电场强度达到最大值。,三、PN结的直流特性,什么是非平衡P-N结？,理想PN结的条件,当P-N结两端有外加电压时，P-N结处于非平衡状态。,（1）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；（2）突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，注入的少数载流子在P区和N区是纯扩散运动；（3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。,三、PN结的直流特性,PN结外加正向电压在势垒区产生的电场与内建电场方向相反（相反/一致），导致势垒区总的电场强度减弱（增强/减弱），这说
29、明空间电荷数量减少（增多/减少），也就意味着势垒区宽度减小（增大/减小），势垒高度减小（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动小于（大于/小于）扩散运动，形成净扩散（净扩散/净漂移）电流，以致势垒区边界非平衡少子（少子或多子）浓度大于（大于/小于）该区内部，扩散（扩散漂移）电流方向从势垒边界向体内（势垒边界向体内或体内向势垒边界）。如在区形成从N区势垒边界向N区内部的空穴的扩散电流，在区形成从区势垒边界向区内部的电子的扩散电流。,P-N结外加正向直流电压的特点？,三、PN结的直流特性,P-N结外加反向直流电压的特点？,PN结外加反向电压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致（相反
30、/一致），导致势垒区总的电场强度增强（增强/减弱），这说明空间电荷数量增多（增多/减少），也就意味着势垒区宽度增大（增大/减小），势垒高度增大（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致势垒区内的载流子漂移运动大于（大于/小于）扩散运动，形成净漂移（净扩散/净漂移）电流，以致势垒区边界非平衡少子（少子或多子）浓度小于（大于/小于）该区内部，从而形成体内向势垒边界（势垒边界向体内或体内向势垒边界）的反向扩散（扩散漂移）电流。实际的反向电流包括 体内扩散电流、势垒产生电流 和表面漏电流三种成分.,三、PN结的直流特性,锗的反向电流中扩散电流起主要作用。硅的反向电流中势垒产生电流占主要地位。由于势垒区宽
31、度Xm随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生电流不是饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。,表面对反向漏电流的影响主要表现在哪些方面？,表面漏电流：表面沾污严重，则引出的表面漏电流大，会成为反向漏电流的主要成分。P-N结沟道漏电流：二氧化硅层质量不好，会使半导体表面出现反型，形成反型沟道。表面复合电流：部分少数载流子可通过表面复合中心能级复合掉，从而导致反向电流的增加。,影响PN结伏安特性偏离理想方程因素有哪些？,（1）表面效应；（2）势垒区中的产生和复合；（3）大注入条件；（4）串联电阻效应。,四、PN结电容,PN结在低频（低频或高频）电压下，具有很好的单向导电性（整流作用），但是在高频（低频
32、或高频）电压时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。这是因为PN结具有电容特性。,P-N结电容包括势垒电容和扩散电容两部分,都随外加电压而变化，表明它们是可变电容。在大的正向偏压时，扩散电容起主要作用，在反向偏压时，势垒电容起主要作用。,P-N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，这和一个电容器的充放电作用相似。,势垒电容：,由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应。扩散电容随频率的增加而减小。,扩散电容：,四、PN结电容,P-N结电容的大小和什么因素有关？,PN结的结面积：结面积越大，结电容越大。势
33、垒宽度：势垒宽度越大，结电容越小。掺杂浓度：掺杂浓度越高，势垒宽度越小，结电容越大。外加电压：反向偏压越大，则势垒电容越小；正向偏压越大，扩散电容越大。,势垒电容的2个应用。,可以制成变容器件。用来测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度等。,正向偏压增大，载流子从扩散（扩散或势垒）区取出存入势垒区，中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主，使势垒区电场减小（增大或减小），势垒区宽度减小（增大减小），势垒电容增大（增大或减小）。正向偏压减小，势垒区电场增大，载流子从势垒区取出存入扩散区，使势垒区宽度增大，势垒电容减小。反向偏压的绝对值增大，势垒区电场增大，载流子从势垒区取出存入扩散区，使势垒区宽度增大
34、，势垒电容减小。反向偏压的绝对值减小，载流子从扩散区取出存入势垒区，中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主，使势垒区电场减小，势垒区宽度减小，势垒电容增大。,四、PN结电容,按击穿过程是否逆，分为电击穿和热击穿，其中热击穿是不可逆的，电击穿是可逆的，后者按其产生的原因不同还可分为雪崩击穿和隧道击穿（又称齐纳击穿）。,实验发现，对P-N结施加的反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始增大，此现象称为P-N结击穿。,五、PN结击穿,当反向偏压很大时，势垒区内的载流子由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，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，这个电子还会继续发
35、生碰撞，产生第二代、第三代的载流子，使短时间内载流子大量增加，由于这种载流子的倍增效应，迅速增大了反向电流，从而发生P-N结击穿。,雪崩击穿的机理,五、PN结击穿,隧道击穿（齐纳击穿）的机理,隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，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机理。对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大。,当P-N结反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能，引起结温上升。随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，
36、最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为电击穿。,热击穿的机理,一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。在重掺杂的情况下，由于势垒区宽度减小，隧道击穿变为主要的。,隧道击穿主要取决于势垒区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外,还与势垒宽度有关。,用光照等其他办法，同雪崩击穿一样会有载流子倍增效应，使反向电流增大，从而发生P-N结击穿；但上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数。隧道击穿的反向电压比雪崩击穿的反向电压低。,雪崩击穿和隧道击穿的主要区别,五、PN结击穿,五、PN结击穿,影响雪崩击穿电压的因素有哪些？,原材料杂质浓度ND、扩散杂质的表面浓度NS、扩散结结深xj；半导体层厚度；结深。,提高雪崩击穿电压的方法有哪些？,升高（升高或降低）环境温度；增加（增加或减小）扩散结结深；选用禁带宽度大的半导体材料；降低表面杂质浓度梯度，或减小掺杂浓度，使势垒宽度增大，提高雪崩击穿电压。,
