第六章pn結[課堂使用]

1、施洪龍 電話：68930256 半導體物理 地址：中央民族大學1#東配樓 目錄 第一章 半導體中的電子狀態(tài) 第二章 半導體中的雜質和缺陷 第三章 載流子的統(tǒng)計分布 第四章 半導體的導電性 第五章 非平衡載流子 第六章 pn結 第七章 金屬和半導體的接觸 第八章 半導體異質節(jié) 第九章 半導體中的光電現象 第十章 半導體中的熱電形狀 第十一章 半導體中的磁-光效應 u pn結及其能帶圖 u pn結的電壓電流特性 u pn結電容 u pn結擊穿 第六章 pn 結 第六章 pn 結 n型半導體中載流子的濃度和運動特征 p型半導體中載流子的濃度和運動特征 p型半導體+n型半導體=？ pn結是晶體管、集成

2、電路的基礎，了解和掌握pn結的形狀具有很 重要的意義 第六章 pn 結 n型 把p型和n型半導體通過各種工藝生長起來，兩者的交界處就是pn結 合金法： 在n型單晶硅上放一粒金屬鋁(p)， 鋁與硅合金化后在其界面上形成 pn結。 雜質分布特點： 施主雜質均勻地分布在n型區(qū)； 受主雜質均勻地分布在p型區(qū)； 界面上雜質濃度發(fā)生突變。 第六章 pn 結 n型 把p型和n型半導體通過各種工藝生長起來，兩者的交界處就是pn結 擴散法： 在n型單晶硅上通過氧化、光刻、 擴散等工藝制備pn結。 通常為線性緩變結 第六章 pn 結 線性緩變結：低表面濃度的深擴散。 突變結：合金結合和高表面濃度的淺擴散 pn結

3、空間電荷區(qū)： p型區(qū)的空穴濃度較高，n型區(qū)的電子濃度較高。當兩者接觸時，n 型區(qū)的電子向p區(qū)擴散，p型區(qū)的空穴向n區(qū)擴散。 n區(qū)的電子向p區(qū)擴散，施主雜質被電離成正電中心；p區(qū)的空穴向 n區(qū)擴散，受主雜質被電離成負電中心。隨著擴散的進行，電離中 心濃度逐漸增大。 電離中心濃度增強，使得內建電場強度增大。在內建電場下載流子 做漂移運動。載流子的擴散與漂移最終達到動態(tài)平衡。 n e e e e p h h h h 擴散 擴散 - - - - + + + + 電離中心 濃度梯度形成的電場 內建電場 第六章 pn 結 空間電荷區(qū)： n e e e e p h h h h 擴散 擴散 - - - - +

4、 + + + 電離中心 濃度梯度形成的電場 內建電場 pn結形成時因電荷的擴散， 使施主和受主雜質被電離， 形成空間電荷，該區(qū)域稱為 空間電荷區(qū)。 隨著載流子的擴散，內建電場由無逐漸增大，平衡時達到最大值。 此時，擴散了多少的載流子就有多少的電離中心參與形成內建電場。 第六章 pn 結 p型半導體 Ec Ev EA n型半導體 Ec Ev ED EFp EFn Ei 當兩塊半導體結合形成pn結時，電子將從高能級的n區(qū)向低能級的 p區(qū)流動；空穴從p區(qū)流向n區(qū)。 e 電子空穴的相對移動，使得EFn相對降低，而EFp相對抬高。當 Efn=Efp時達到動態(tài)平衡。 Ec Ev ED EFnEFp Ec

5、Ev EA Ei +qVD -qVD 第六章 pn 結 電子從高濃度到低濃度擴散，其(n區(qū))電勢能降低；對于p區(qū)電子的 電勢能增大，即引起能帶的整體上下移動。 Ec Ev ED EFnEFp Ec Ev EA Ei +qVD -qVD n e e e e p h h h h 擴散 擴散 - - - - + + + + 電離中心 濃度梯度形成的電場 內建電場 載流子擴散的結果是使雜質電離，形成內建電場，其大小就是載流 子電勢能的改變量。 第六章 pn 結 流過pn結的總電流密度為漂移電流和擴散電流密度之和： 費米能級的改變=電勢能的改變 第六章 pn 結 準費密能級間的差異或梯度(又載流子濃度梯

6、 度引起)導致非平衡電流的產生。 平衡時，pn結內沒有電流。 當電流密度恒定時，載流子濃度高的地方，費米面的位置變化小 pn結在空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，這是內建電場引起的。 電子從低勢能的n區(qū)向高勢能的p區(qū)運動時，必須爬過高坡，即pn 結的勢壘；空間電荷區(qū)又稱勢壘區(qū)。 第六章 pn 結 內建電場ED對應的電勢能qVD為pn結的勢壘高度。 內建電場由準費米能級差引起： 非簡并態(tài)的載流子濃度為： 相除取對數 完全電離 內建電勢差與pn結兩端的雜質濃度、溫度和禁帶寬度有關。在一定 溫度下，兩端雜質濃度差越大，禁帶越寬，接觸電勢差越大。 第六章 pn 結 要想求出載流子的分布(濃度)，應先計算出態(tài)密度

7、。 態(tài)密度 分布函數 第六章 pn 結 類似的空穴濃度為： pn結中電子的濃度為： 第六章 pn 結 如果勢壘區(qū)內的電勢能比n區(qū)的導帶底高0.1eV處的電子濃度為： 假設勢壘高度為0.7eV，則此處空穴濃度為： 在室溫附近，對于絕大部分勢壘區(qū)，其中雜質雖然都已電離，但載 流子濃度比起n和p區(qū)的多數載流子，其濃度要小得多，常稱為耗盡 層。 第六章 pn 結 如果勢壘區(qū)內的電勢能比n區(qū)的導帶底高0.1eV處的電子濃度為： 假設勢壘高度為0.7eV，則此處空穴濃度為： 在室溫附近，對于絕大部分勢壘區(qū)，其中雜質雖然都已電離，但載 流子濃度比起n和p區(qū)的多數載流子，其濃度要小得多，常稱為耗盡 層。 第六

8、章 pn 結 外加正向電壓下，pn結勢壘的變化及載流子的運動 E pn結加正向電壓V，由于勢壘兩側的載流子濃度很大，電阻很小， 正向偏壓幾乎都降落在結區(qū)，削弱內建電場(qVD-qV)； 內建電場(qVD-qV)減弱，打破了載流子擴散與漂移的平衡態(tài)，使 擴散流起主導，存在凈擴散電流。 電子從n區(qū)擴散到p區(qū)，成為p區(qū)的非平衡載流子，它們在p區(qū)邊擴 散邊被空穴復合。在p區(qū)經過一定距離的擴散后被全部復合，該區(qū) 域為擴散區(qū)。 在pn結兩端外加正向偏壓，使非平衡載流子 注入半導體中，稱為非平衡載流子的電注入。 第六章 pn 結 外加反向直流電壓下，pn結勢壘的變化及載流子的運動 pn結加反向電壓V，增強內

9、建電場(qVD+qV)，增強了載流子的漂 移; E n區(qū)邊界處擴散過來的空穴被內建電場驅趕回p區(qū)，p區(qū)邊界處擴散 過來的電子被驅趕回n區(qū)； 結區(qū)內的載流子被驅趕后由結區(qū)內的少子補充，形成反向偏壓下的 擴散流，即少子的不斷抽取或吸取。 在較大的反向偏壓下，邊界處的少子濃度趨 于零，此時pn結的電流較小0. 第六章 pn 結 外加正向電壓下，pn結的能帶圖 EFn EFp Ecp Evp Ecn Evn Lp Ln p n 在正向偏壓下有非平衡載流子注入半導體中，使費米能級發(fā)生劈裂： 空穴擴散區(qū) 電子擴散區(qū) 在空穴擴散區(qū)，電子濃度高，EFn較高(平直)，非平衡載流子對其影 響較小；空穴濃度小，影響

10、大； 靠近結區(qū)，空穴濃度增大，EFn和EFp逐漸發(fā)生劈裂； 到結區(qū)邊界，空穴濃度最高，EF劈裂程度最大； E q(VD-V) 第六章 pn 結 外加反電壓下，pn結的能帶圖 EFn EFp Ecp Evp Ecn Evn Lp Ln p n 在反向偏壓下，內建電場增強，載流子的漂移電流增大，出現EF的 劈裂： 空穴擴散區(qū) 電子擴散區(qū) E q(VD+V) n EFnEFp p h e 第六章 pn 結 理想pn結模型 小注入：注入的少數載流子濃度比平衡多子濃度小得多； 突變耗盡層：外加電壓直接降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由 電離中心的電荷組成，耗盡層外的半導體呈電中性； 不考慮耗盡層中載流子

11、的產生與復合作用，即通過耗盡層的電子和 空穴的電流是常數； 滿足玻爾茲曼分布。 第六章 pn 結 理想pn結的電流電壓方程 計算的基本步驟： 計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度； 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布； 由擴散方程算出少子的電流密度； 得到電流電壓方程。 第六章 pn 結 理想pn結的電流電壓方程 計算的基本步驟： 計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度； p區(qū)的載流子濃度為： p區(qū)載流子濃度的乘積： 邊界處 多子 p區(qū)平衡少子 復合 第六章 pn 結 理想pn結的電流電壓方程 計算的基本步驟： 計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度： P區(qū)非平衡少子數： n區(qū)非平衡少子為： pn結中非平衡少子是由外加正向電壓引起電注入 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布： 穩(wěn)態(tài)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程： 擴散漂移 第六章 pn 結 理想pn結的電流電壓方程 計算的基本步驟： 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布： 穩(wěn)態(tài)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程： 小注入電場影響甚小 通解 第六章 pn 結 理想pn結的電流電壓方程 計算的基本步驟： 由擴