半导体器件中的内建电场教学实践

2018-10-26钟智勇刘继芝张怀武

电气电子教学学报 2018年4期

钟智勇，刘爽，刘继芝，任敏，张怀武

(电子科技大学 1.微电子与固体电子学院，2.光电信息学院，四川成都 610054)

0 引言

内建电场(built-in field)，又叫自建电场，是指半导体或者绝缘体中由于内部的作用而形成的电场。在本科“微电子器件”或“半导体器件”课程中，常见的三种重要内建电场是：PN结空间电荷区的内建电场、半导体大注入时的内建电场以及半导体非均匀掺杂时产生的内建电场[1]。

半导体中的内建电场对载流子的输运有着重要的影响，最终影响半导体器件的特性。比如PN结的单向导电性就直接与结区的内建电场有关，缓变基区双极晶体管(BJT)的基区不均匀掺杂产生的内建电场使得BJT的电流增益提高和频率特性改善[2]。再如，低发射区杂质浓度晶体管(LEC)就是利用发射区的非均匀掺杂产生的自建电场来提高发射结的注入效率，其原理是(以NPN为例说明)：发射区的掺杂分为两部分，靠近金属电极的是N+区，靠近基区的是掺杂甚至低于基区的N-区。在N+区和N-区之间由于浓度差会产生一个内建电场，其方向是从N+区指向N-区，阻止空穴由N-区向N+区扩散，会大大降低从基区注入发射区的少子，从而提高发射结注入效率[1]。再如太阳能电池利用结区的内建电场来分离光生载流子而产生光电流的，内建电场的强度决定光电池开路电压的大小[3]。

可见，全面而正确理解半导体与器件中内建电场对学好“微电子器件”或“半导体器件”课程以及将来从事新型半导体器件开发具有重要的意义。所以，我校的“微电子器件”课程非常重视内建电场这一知识模块的教学，本文将在厘清三种内建电场产生的机理基础上，介绍我校在“微电子器件”课程教学中处理内建电场这一知识点的一些做法。

1 内建电场产生的机理

归纳起来，内建电场产生的根本原因是载流子浓度分布不均匀或者说具有浓度梯度造成的，载流子浓度梯度分布可以由界面产生，也可以由掺杂不均匀或光照等辐射不均匀等产生[4]。下面简要介绍三种内建电场的形成机理。

1) PN结空间电荷区的内建电场

P区与N区接触后，由于存在载流子的浓度差的原因，结面附近的空穴将从浓度高的P区向浓度低的N区扩散，在P区留下不易扩散的带负电的电离受主杂质，结果使得在结面的P区一侧出现负的空间电荷；同样地，结面附近的电子从浓度高的N区向浓度低的P区扩散，在N区留下带正电的电离施主杂质，使结面的N区一侧出现正的空间电荷。由此产生的空穴与电子的扩散电流的方向，都是从P区指向N区。载流子的扩散运动造成了结面两侧一正一负的空间电荷区，从而形成内建电场，其方向为从带正电荷的N区指向带负电荷的P区。在内建电场的作用下空穴与电子会发生漂移运动，空穴向P区漂移，电子向N区漂移，载流子的漂移方向正好与扩散的方向相反，在热平衡态下，最终会达到漂移运动与扩散运动相当，使得流过PN结的净电流为零，最终内建电场强度与空间电荷区宽度达到一个稳定的数值。

2)掺杂不均匀产生的内建电场

典型地掺杂不均匀产生的内建电场应用于缓变基区双极晶体管。以NPN缓变基区双极晶体管来说明该内建电场产生的原因。在缓变基区中，掺杂不均匀(靠近发射区的掺杂浓度高，靠近集电区的掺杂浓度低)且在室温下杂质会全电离，因此多子空穴有与受主杂质近似相同的浓度分布。空穴浓度的不均匀导致空穴从高浓度处向低浓度处扩散，而电离杂质却固定不动，于是在杂质浓度高的地方空穴浓度低于杂质浓度，带负电荷；在杂质浓度低的地方空穴浓度高于杂质浓度，带正电荷。空间电荷的分离就形成了内建电场。内建电场将引起空穴的漂移运动，在平衡状态下，基区中空穴的扩散运动与漂移运动相互抵消，相反内建电场促使注入基区的少子(电子)向集电结漂移，与少子原来的扩散运动的方向相同，对基区少子的输运起了加速作用，这将有利于提高BJT的电流增益和频率特性。

3) 大注入产生的内建电场

大注入时注入的少数载流子不仅浓度大，还有浓度梯度，为了维持半导体的电中性，多数载流子的浓度分布与少数载流子有同样的梯度，即d(Δn)/dx=d(Δp)/dx。由于多数载流子存在浓度梯度，则与掺杂浓度不均匀的情况一样，多数载流子在浓度梯度驱使下发生扩散，从而产生内建电场。大注入所产生的内建电场对少数载流子的输运有加速作用，在PN结二极管中使得IV特性在lnI-V的正向特性随着正向电压的提高而变缓，在BJT中则如同缓变基区BJT中基区的内建电场一样，该电场也会加速少数载流子渡越基区的过程，有利于提高电流增益和频率特性。

2 内建电场的教学实践

由以上分析可知：内建电场以及相应的内建电压，都是半导体处于热平衡状态时内部出现的一种现象，它们并不能呈现于外表，即若用一根导线把半导体的两端连接起来，并不产生电流。内建电场的作用是阻挡多数载流子扩散，以维持整个半导体内部的平衡。为了全面掌握并运用内建电场这一知识点，为此建议在教学活动中注意以下几点。

1)三种内建电场的机理与作用的对比

在课程完成对这三种内建电场相关知识点讲述后，要及时从内建电场的产生的机理以及对载流子的作用等方面进行总结，让学生在对比过程中加深理解各种内建电场产生的机理以及作用的理解。总结与对比可以采用如表1所示的列表形式。

2) 内建电场的求解思路以及应用拓展

根据内建电场的作用是阻挡多数载流子扩散，使得多数载流子电流等于零的原则，可以归纳出内建电场和内建电压的求解思路为：令多子电流密度等于零，结合爱因斯坦关系，得到电场与掺杂浓度的关系式，进而在内建电场作用区域对其积分得到内建电压。课堂上严格按照此思路处理三种内建电场及内建电势。在此基础上，引导学生采用以上思路，推导线性缓变PN结、PIN结的内建电场与内建电压表达式。对学有余力的学生，还可以引导他们把PIN结与PN结的内建电场等特性相比较，通过查阅相关文献资料，弄清在光电子学与微波电子学中PIN结构采用较多的原因，这样可以拓展学生的知识运用能力。

表1 内建电场的产生机理与作用

3) 强调内建电场是平衡态下的概念

既然内建电场是半导体处于热平衡状态时，在内部因为载流子浓度分布不均匀所自动产生出来的一种电场。在图1所示的P型半导体中，费米能级处处相等，由于掺杂浓度左高右低，故左端空穴浓度大，右端空穴浓度小，正是这种空穴浓度的不均匀，才造成了内建电场，进而使得能带不是水平而是倾斜的。

图1 内建电场对能带及费米能级的影响

由此引出“微电子器件”课程的另一知识点——BJT的能带图讲述，如图2所示。

理解缓变基区晶体管能带倾斜的原因，进一步建立能带弯曲方向与半导体类型以及掺杂浓度的关系，从而更加加深学生对缓变基区晶体管的电流放大系数比均匀基区晶体管的电流大的原因的理解。

(a)均匀基区 (b) 缓变基区图2 NPN晶体管的能带图

在教学过程中，还可以引导学生分析这种由于掺杂不均匀引起的高低结与常规PN结的异同，分析为什么高低结不像PN结那样具有单向导电性。

4) 引导学生探索内建电场产生的新机理

除了掺杂浓度不均匀外，还可以通过改变半导体的组分使得半导体的禁带宽度随位置变化而产生内建电场，这种方式在异质结类微电子器件中经常使用[5]。在课堂上告诉学生异质结双极晶体管是通过所谓能带工程——让基区材料的禁带宽度逐渐变化的技术产生加速内建电场的，让学生通过查阅文献资料，了解这种新机理的特点，激发学生探索新机理、新功能以及新器件的兴趣，为培养学生举一反三、触类旁通的进一步学习、研究及设计微电子器件的能力打下基础。