Vbi dV'
V(x)
xn x
qND
Ks0
(xn x')dx'
V(x)
Vbi
qND
2Ks0
(xn
x)2.
.0. xxn
▪ X=0处，有
2qKsN A0x2 pVbi2qKsN D0xn2
半导体器件
耗尽层宽度
电场随x线性变化，在x=0时达最大值：
m
q N A s
xp
q
ND s
xn
N Axp N D xn W xn xp
Possion方程：
d 2V dx2
q
NA
s
(xp
x 0)
d 2V dx2
q ND
s
(0 x
xn )
半导体器件
电场分布
▪ 积分一次：
dd2Vx2 ddV x(x)qN sA(xpx) , (xpx0)
dd2Vx2 ddV x(x)qN sD(xnx) , (0xxn)
-xp
(x)
xn
半导体器件
q
Ks0
ax
线性缓变结-1
(x) qa 2Ks0
x2
W2
4
令V(-W/2)=0, 进一步解出
V(x)6K qsa 02W 233W 22xx3
最大电场
m
qa
8Ks0
W2
空间电荷区宽度
1
W12qKas0
VbiVA3
半导体器件
定量方程
▪ 基本假设
➢ P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。 ➢ 电中性区宽度远大于少于扩散长度。 ➢ 冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流
半导体器件
耗尽层边界
▪ P型一侧
n(xp)p(xp)n(xp)NA ni2eqVA/kT
n(xp)N ni2AeqVA/kT
P
N
np(xp)N ni2A eqV A/k T1
np(xp) pn(xn)
半导体器件
耗尽层边界(续)
▪ N型一侧
pn(xn)N ni2D eqVA/kT1
耗尽层边界处非平衡载流子浓度与 外加电压有关
子在PN结中一维流动。 ➢ 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电荷
区的产生—复合作用。 ➢ P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
半导体器件
边界条件
▪ 欧姆接触边界
np(x) 0 pn(x) 0
▪ 耗尽层边界(pn结定律)
FNFP
npni2e kT ni2eqV A/kT
半导体器件原理与工艺(器件)1 半导体器件
半导体物理基础
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生 物芯片
半导体器件
半导体中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ陷
▪ 点缺陷
▪ 外加电压全部降落在耗尽区，VA大于0时， 使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区 两侧电压为Vbi-VA
▪ 上面的公式中，将Vbi换成Vbi-VA
例
1
Wxnxp 2Kqs0 NNADNNAD(VbiVA)2
半导体器件
反偏PN结
▪ 反偏电压能改变耗 尽区宽度吗？
半导体器件
线性缓变结
半导体器件
d2V dx2
半导体器件
电子电流
▪ P型侧
np(x'')N ni2A eqVA/kT1ex''/LNx''0
JN(x'')qD Nddn'x'p
qDN LN
ni2 NA
e 1e qVA/kT
x''/LN
半导体器件
PN结电流
I INIP A(JN(xp)JP(xn))
I
qAD LN N
ni2 NA
DP LP
qAni W
20
▪ 正向偏置时, 计算比较复杂
I RG
qAniW
2 0
qV A
e 2kT
qVA
I DIFF I 0 e kT 1
VA愈低，IR-G愈是起支配作用
I
I DIFF I RG , and
I RG I DF
Lp N D 2D p ni
➢ 弗仑克尔缺陷 ➢ 肖特基缺陷
▪ 线缺陷
➢ 位错
半导体器件
半导体中的载流子
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子
空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位
电子浓度 nNCe(ECEf ) k T
空穴浓度 pNVe(EfEV) kT
半导体器件
准中性区载流子浓度
半导体器件
理想二极管方程
▪ 求解过程
➢ 准中性区少子扩 散方程
➢ 求Jp(xn) ➢ 求Jn(-xp) ➢ J= Jp(xn)+ Jn(-xp)
半导体器件
理想二极管方程(1)
▪ 新的坐标:
0Dp
d2pn dx'2
pn
p
▪ 边界条件:
-xp
xn
x
X’
0
pn(x') 0
pn(x'0)
ni2 ND
eqVA/kT 1
半导体器件
空穴电流
▪ 一般解
pn(x')
Aex'/ LP 1
A2ex'/LP
其中, LP DPP
pn(x')N ni2D eqVA/kT1ex'/LPx'0
JP(x')qD Pddp'xn
qDP LP
ni2 ND
e 1e qVA/kT
x'/LP
xp
ND W NA ND
xn
NA NA ND
W
半导体器件
耗尽层宽度
1
xn
2
Ks q
0
NA N D(N A
2
N
D
)
V
bi
和
1
xp
N D xn NA
2
Ks q
0
ND N A(N A
2
N
D
)
V
bi
即
1
W
xn
xp
2
Ks q
0
NA ND NDN A
V bi
2
半导体器件
VA0条件下的突变结
N ni2DeqVA/k
T1
II0eqA V /kT 1
半导体器件
半导体器件
空间电荷区的产生与复合
▪ 正向有复合电流 ▪ 反向有产生电流
IRG
qA xn xp
n t
dx
RG
n
npni2
t RG p(nn1) n(p p1)
半导体器件
空间电荷区的产生与复合-1
▪ 反向偏置时,
IRG
其中NC、NV分别为等效态密度，Ef为费米能级
半导体器件
半导体、绝缘体和导体
半导体器件
半导体器件
一．半导体物理基础 二．PN结 三．BJT 四．MOSFET 五．JFET/MESFET简介
半导体器件
突变结耗尽区的电场与电势分布
▪ 耗尽近似
qN A qN D
(xp x 0) (0 x xn )
电势分布
▪ 由微分方程：
dV
q
NA
s
(xp
x),
(xp
x
0)
▪ 边界条件：
dx
q
ND
s
(xn
x),
(0
x
xn
)
➢ 设在-xp处V=0
➢ xn处V=Vbi
▪ 再积分一次：
V(x)dV' 0
x xp
q
NA
s
(xp
x')dx',
V(x)
qNA
2s
(xp
x)2,(xp
x
0)
半导体器件
电势分布
▪ N型侧，