半导体表面2.ppt

8.6.1 表面电场作用下的p-n结能带(续1：平衡情况) 参考底部的n-p结能带图。 认识图8-27中的二维能带图。 上曲面为二维导带面 下曲面为二维价带顶 情况(a)讨论： V1=VG=0，能带的弯曲是由于p-n 结自建电场引起。 情况(b)讨论： V1=0,VGVT，p区表面强反型。 p区表面强反型后，表面处与内 部等同于p-n结，称为场感应结 (相应地称原p-n结为冶金结)。 表面强反型后，耗尽区达到最大宽度xdm，并且不随VG的增加而改变。 强反型开始时表面势Vs≈2VB。 Ec Ev EF Ei 0电位 0电位 8.6.1 表面电场作用下的p-n结能带(续2：非平衡情况) 非平衡情况讨论： 栅控二极管电压配置：V10 ,p-n结反向偏置(参考下页图8-28 a所示情形) 非平衡p-n结，反偏p-n结势垒区变宽,势垒高度增加。 非平衡态基础知识：非平衡态时半导体不存在统一的费米能级，可以认为价带和导带的电子分别处在平衡状态，而导带和价带之间处于不平衡状态。用“准费米能级”来分开评价导带和价带的“局部费米能级” 。导带的准费米能级称为电子准费米能级，价带的费米能级称为空穴准费米能级。 非平衡p-n结，往往总是多数载流子的准费米能级和平衡态费米能级偏离不多，而少数载流子的准费米能级与平衡态费米能级偏离很大。 p-n结反偏时，EFpEFn。(参考P154非平衡p-n结) 此时VGVT时已经不能使p区反型(参考下页图8-28 b情形)，这是由于反偏p-n结的p区电子(少子)准费米能级降的很低，即使表面处能带弯曲，但仍不能足够接近电子准费米能级而引起反型，表面只是处于耗尽状态。 p-n结有偏压时，使p区表面反型所必须的栅电压VG称为VT(VR)。只有当VGVT(VR)时,p区表面才会发生反型(参考下页图8-28 c情形) 。 VS=VR+2VB 8.6.1 表面电场作用下的p-n结能带(续3：非平衡情况总结) 非平衡情况总结： (1)表面反型后，耗尽区宽度最大值xdm已经成为反偏压VR的函数。此宽度为n型反型层和其下的p区之间形成的场感应结的反偏耗尽区宽度。 (2)空间电荷区特性仍采用耗尽层近似方法导出。ρ(x)=-NA q近似。结论见P223 8.6.2 表面电场作用下的p-n结反向电流 第6章p-n结基础知识： p-n结处于热平衡状态时，势垒区内通过负荷中心的载流子产生率等于复合率。 当p-n结反向偏置时，内建电场和外加电压方向一致，增强了内建电场。势垒区内复合中心由于热激发引起的电子-空穴对来不及复合就被强电场驱走了，也就是说通过复合中心的载流子产生率大于复合率，形成势垒区生成电流。 因此硅p-n结反偏电流主要构成部分就是势垒区生成电流(可以参考P157底)。 图8-28 c所示的情形，相当于场感应结和冶金结并联的情况，因此反向电流比单纯冶金结来得大。 图8-28 b所示的情形，表面层耗尽，耗尽层宽度xd随着电压VG增加，有表面耗尽区贡献的产生电流分量也随之增大，这情况如上图虚线所示。 一旦表面反型，xd到达极大值，这个电流就不再增加。但是，当表面被耗尽时，Si-SiO2界面处的界面态对总电流也有贡献，而且数值往往更大，因此耗尽总电流实际上比虚线所示的要大。 IgM、IgF、Igs三个电流的计算见P224。 总电流由三分量中的一个或者几个组成。 讨论：Igs与反向偏压V1大小无关。且正向复合电流也是场感应结和冶金结共同贡献。 8.6.2 表面电场作用下的p-n结反向电流(续) IR VG IgM 冶金结耗尽区产生电流 Igs 表面耗尽区产生电流 IgF 场感应结耗尽区 产生电流 耗尽 堆积 反型 V1 VG n+ p V1 VG n+ p V1 VG n+ p 图8-29 固定反向电压V1下，表面电荷区性质变化对n+-p结反向电流的影响 (a) (b) (c) 8.6.3 表面电场对p-n结击穿特性的影响 当栅电压使衬底反型时，将存在一个和冶金结并联的场感应结。场感应有其自身的击穿电压，而且很多情况下比冶金结的击穿电压低！ 这种情况下，当反向电压增加到超过场感应结的击穿电压V(BR)FJ时，场感应结开始击穿，电流随着电压迅速增加，这个电流随着反型层流向p区，并随着反向电压的增加而达到一个饱和值。 继续增加反向电压，超过冶金结的击穿电压V(BR)MJ时，电流再次迅速增加。 栅压VG 如果场感应结处有使击穿电压降低的缺陷存在，则击穿电压将会更低。在相当低的反向偏压下就会出现很大的电流。 沟道特性 8.6.3 表面电场对p-n结击穿特性的影响(续) 如图8-31所示，场感应结在高参杂的p+处形成，其击穿电压将会很低，在很小的反向偏下就会有较大的电