半导体器件物理CH2-3剖析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4集中电容,反向偏置耗尽层电容占据了结电容的大局部，,正向偏置中性区少数载流子密度的再分布对结电容有奉献-集中电容 正向偏置+一小的沟通信号：,总电压：,总电流：,电压和电流密度的小信号振幅,可得到耗尽区边界的电子和空穴密度随时间的变化将总电压代入如下方程,1,耗尽区边界的空穴密度小信号沟通重量：,假设 V1LP，可得到N型中性区空穴的沟通重量：,x=x,n,处，空穴电流密度：,4,总沟通电流密度：,沟通导纳：,x=-x,p,处，电子电流密度：,5,频率比较低 ：(p,n 1),集中电导：,低频集中电容：,归一化集中电导和集中电容与 的关系6,5,结的击穿,P-n,结上加足够高的电场,击穿，并通过很大的电流热不稳定,隧道效应,雪崩击穿,热击穿的反向电流,-,电压特性,1,热不稳定性,高的反向电压下反向电流引起热耗散，假设热量不能准时传递出去，结温增加，结温增加反过来增加了反向电流和热耗散的增加恶性循环，直到结烧坏禁带宽度小，易发生热击穿改善散热，温度较低，该击穿不重要隧道击穿齐纳击穿,电子的隧道效应在强电场下快速增加,随着反向偏压的增加，势垒区电场不断加强，能带弯曲增加。

势垒区内强大的电场使其中的电子获得相当大的附加静电势能，,当反向偏压足够高时，附加的静电势能可以使一局部价带电子的能量到达甚至超过导带底电子的能量PN,结隧道效应示意图,B,A,x,W,电子有肯定的隧穿几率,隧穿几率与,x,有关,8,PN,结隧道击穿的电流,-,电压特性,隧道电流随,Eg,的增大而减小：,Eg,增加，水平距离增加隧道电流随外加电压的增加而增加：,外加反向偏压越大，电场越强，能带弯曲越陡，水平距离越小，隧穿几率越大由隧道效应打算的击穿电压具有负温度系数：,常用半导体材料的禁带宽度随温度增加而减小9,3,雪崩击穿,反向偏压的增加，结内电场增加，通过势垒区的电子和空穴在强电场作用下,获得的能量渐渐增加，当能量足够大时，通过与晶格原子的碰撞使价带电子激发,到导带，形成新的电子空穴对-碰撞电离最重要的结击穿机制，雪崩击穿电压确定了大多数二级管反向偏压的上限新生的电子和空穴在电场作用下和原有电子-空穴一起获得能量，与晶格碰撞,产生 其次代电子和空穴如此循环，电子和空穴不断倍增，数目急剧增加，反向电流急剧增加，最终引起,Pn,结击穿类似雪崩，雪崩击穿,10,电离率,a:,一个电子或空穴走过单位距离所产生的电子,-,空穴对数目,.,an和ap均与电场有猛烈的依靠关系.,倍增因子,:,雪崩击穿电压,:,倍增因子,M,趋近无限大时的电压,.,对于具有一样电离率的半导体,击穿条件可用积分表示,:,11,击穿电压,单边突变结,线性缓变结,轻掺杂一侧的电离本底杂质浓度,杂质浓度梯度,最大电场,普适公式：,单边突变结,线性缓变结,12,Ge,，,Si,，,晶向,GaAs,和,GaP,单边突变结,的雪崩击穿电压计算值与杂质浓度的关系。

最高掺杂浓度,当超出此浓度时为隧穿机制,.,杂质浓度对击穿电压的影响：,13,单边突变GaAs结的雪崩击穿电压与晶向的关系和晶向,的VB与晶向的比较.,这里击穿电压根本上与晶向无关.,14,Ge,，,Si,，,晶向,GaAs,和,GaP,线性缓变结,的雪崩击穿电压与杂质浓度梯度,的关系15,最大电场,E,m,(V/cm),10,5,10,6,10,7,Ge,，,Si,晶向,GaAs,和,GaP,单边突变结在击穿时的耗尽层宽度和最大电场随本底掺杂浓度的关系16,Ge,，,Si,晶向,GaAs,和,GaP,线性缓变结在击穿时的耗尽层宽度和最大电场随掺杂浓度的关系17,介于突变结和缓变结之间的集中结的击穿电压与本底掺杂浓度和杂质浓度梯度的关系.,a,很大而,N,B,很小,N,B,高而,a,小,.,18,半导体外延层厚度与雪崩电压的关系：,假设半导体层W小于Wm，器件在比较低的反偏压下,将贯穿，穿透半导体层pn结的空间电荷区随反向电压的增加而增加前面争论假设半导体足够厚，能够供给击穿时的耗尽层宽度Wmp,+,n n,+,W,m,W,E,穿通电压,p,+,n n,+,W,E,19,WW,m,WWm,和,WWm,和,WWm,的单边突变结击穿时的电场分布和击穿电压大小。

同样材料的穿通与非穿通二极管的最大电场根本一样，可以得到穿通二极管的击穿电压：,W,20,在掺杂浓度足够低时，通常发生贯穿p,+,-,-n,+,或,p,+,-,-n,+,结的击穿电压对于确定的外延层厚度，当掺杂浓度削减到对应与外延层穿透时，击穿电压根本不随掺杂浓度变化，趋于恒定值21,温度对击穿电压的影响：,归一化的雪崩击穿电压与晶格温度的关系在较高的温度下，对于比较底的掺杂浓度，击穿电压有很大的提高高温时，恒定电场下，行进单位距离的载流子有更多的能量损失给晶格22,实测的,n,+,-p,二极管反向,IV,特性温度关系23,结曲率效应：,对于平面结，有结曲率效应，在柱面和球面区有较高的电场强度，雪崩击穿电压由这些区域打算曲率半径愈小，击穿电压愈低通过矩形掩膜扩散形成近似的柱面和球面区柱面和球面区引起电场集中，电场强度大于平面结24,柱面和球面结的归一化击穿电压与归一化曲率半径的关系25,隧道击穿与雪崩击穿的区分:,1掺杂浓度对二者的影响不同,隧道击穿取决于穿透几率，与禁带的水平间距有关，掺杂浓度越高，空间电荷区的宽度越窄，水平间距越小，易击穿因此隧道击穿通常只发生在两侧重掺杂的,PN,结中。

雪崩击穿是碰撞电离，载流子能量的增加有一个过程，因此除了与电场强度有关之外，空间电荷区越宽，碰撞次数越多因此，在掺杂浓度不高时的击穿通常是雪崩击穿2外界作用对二者击穿机理的影响不同：,雪崩击穿是碰撞电离的结果，所以光照和快速的离子轰击能够引起倍增效应；,但这些外界作用对隧道击穿不会有明显的影响3温度对二者击穿机理的影响不同：,隧道击穿的击穿电压具有负温度系数特性，主要是由于禁带宽度的温度特性而对于雪崩击穿，由于碰撞电离率随温度增加而降低，所以击穿电压是正温度系数特性26,6,瞬变特性,-,开关,二极管正向导通，反向截止，可做开关元件开关速度极快，是机械开关远不能比的开,关：开启时间很短，对开关速度影响很小关开：关闭时间比较长，偏离抱负状况，所以主要分析关闭过程0,输入,0,输出,二极管开关的抱负输入与输出,27,+,+,V,F,V,R,I,F,R,V,J,P,N,I,根本开关电路,t=0,开关,右侧,起始反向电流,:I,R,=V/R,I,I,F,t,1,t,2,-I,R,-0.1I,R,I,S,t,瞬变响应,瞬变时间反向恢复时间：电流到达起始电流IR的10%所经过的时间=t1+t2恒流阶段储存阶段,衰减阶段,限制了开关速度,28,正偏和负偏时的少数载流子浓度分布。

反向恢复过程由电荷储存效应 引起：,P,+,N,P,n0,P,n,X,n,X,储存电荷,L,n,正偏反偏，积存在N区中的空穴的运动正向电压作用下，,N,区中的空穴浓度分布：,零点 在,Xn,处,储存的电荷：,29,加反向偏压电荷浓度的变化规律：,各时间间隔内的少数载流子分布t=0,:,电荷分布为正向储存电荷0t,平衡值pn,结上的压降：,结电阻相对于外电阻可无视，结电流：,P,n0,P,n,X,n,X,t=0,0tt1:边界处电荷=平衡值，pn结反向，电流渐渐削减t,:,真正的反向状态30,V,J,V,F,-V,R,t,相应的结电压与时间的关系,依据方程：,只要 pn(0,t)大于pn0，即0tn,i,总的漂移电流 ：,i,区的平均电场,双极集中系数：,43,串联电阻与正向电流倒数的关系i,区两端的电压降为：,硅，,b3,电阻：,根本对应于W/La2,，长,p-i-n,二极管,44,P-i-n结本征区的电压降与W/La的关系其中W为i区的宽度，La为双级集中长度2,i,区厚度由要求的击穿电压确定为保持短构造特性,La必需很长45,正向电流,-,电压特性a),仅考虑复合b),包括载流子之间的散射。

c),还包括俄歇复合大注入，由于载流子之间的散射，双极集中系数随载流子浓度的增加而削减当载流子浓度很高时，少数载流子寿命会因俄歇复合过程而降低。