第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(二)

1、11.2.5半導(dǎo)體的結(jié)半導(dǎo)體的結(jié) 2 P 區(qū)區(qū) NAN 區(qū)區(qū) ND半導(dǎo)體的結(jié)半導(dǎo)體的結(jié)-PN 結(jié)結(jié)PN PN 結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基本單元。結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基本單元。PNPN結(jié)中的載流子既有結(jié)中的載流子既有漂移運動漂移運動，又有，又有擴散運動擴散運動； 既有既有產(chǎn)生產(chǎn)生，又有，又有復(fù)合復(fù)合，這些性質(zhì)集中反映在半導(dǎo)，這些性質(zhì)集中反映在半導(dǎo)體體 的導(dǎo)電特性中。的導(dǎo)電特性中。3PN結(jié)1 1、PN PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 在在同一塊同一塊N型（或型（或P型）半導(dǎo)體單晶上，用特定型）半導(dǎo)體單晶上，用特定的工藝方法把的工藝方法把P型（或型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單

2、晶相連的二個不同區(qū)域分別具有單晶相連的二個不同區(qū)域分別具有N型區(qū)和型區(qū)和P型區(qū)的型區(qū)的導(dǎo)電類型，在二者導(dǎo)電類型，在二者交界面交界面以及交界面兩側(cè)的以及交界面兩側(cè)的過渡區(qū)過渡區(qū)即稱為即稱為PN結(jié)。結(jié)。 4PN PN 結(jié)類型結(jié)類型 按材料分為按材料分為同質(zhì)結(jié)，同質(zhì)結(jié)，和和異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 按導(dǎo)電類型分為按導(dǎo)電類型分為同型結(jié)同型結(jié)和和異型結(jié)異型結(jié) 按雜質(zhì)的分布分為按雜質(zhì)的分布分為突變結(jié)突變結(jié)和和線性緩變結(jié)線性緩變結(jié) 5工藝方法工藝方法合金法合金法擴散法擴散法生長法生長法離子注入法離子注入法光刻工藝光刻工藝(硅平面工藝）硅平面工藝）2 、 PN結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程6合金法制造合金法制造PN結(jié)過程結(jié)過程

3、熔融熔融P-SiAlN-Si 在一塊在一塊N型硅片上放置一型硅片上放置一鋁箔鋁箔，鋁箔上加一，鋁箔上加一石墨壓塊石墨壓塊，并置于并置于600以上的以上的燒結(jié)爐燒結(jié)爐中恒溫處理中恒溫處理5分鐘，然后緩慢降溫分鐘，然后緩慢降溫經(jīng)這樣的處理后的硅片的上表面就形成可很薄的一層經(jīng)這樣的處理后的硅片的上表面就形成可很薄的一層P型再結(jié)型再結(jié)晶層，晶層，PN結(jié)形成了。結(jié)形成了。 突變結(jié)突變結(jié)P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界面處的雜質(zhì)濃度分布是突變的，區(qū)的交界面處的雜質(zhì)濃度分布是突變的，此法稱為合金結(jié)，又稱突變結(jié)。此法稱為合金結(jié)，又稱突變結(jié)。7P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)x雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度xjNANDP區(qū)與區(qū)與N區(qū)的雜質(zhì)濃度都是分

4、布均勻的區(qū)的雜質(zhì)濃度都是分布均勻的N型區(qū)施主雜質(zhì)濃度為型區(qū)施主雜質(zhì)濃度為NDP型區(qū)受主雜質(zhì)濃度為型區(qū)受主雜質(zhì)濃度為NA在交界面處在交界面處x = 0，雜質(zhì)濃度由，雜質(zhì)濃度由P型突變?yōu)樾屯蛔優(yōu)镹型型突變結(jié)突變結(jié)8單邊突變結(jié)：單邊突變結(jié)：當一側(cè)的濃度遠大于另一側(cè)時當一側(cè)的濃度遠大于另一側(cè)時lN P結(jié)結(jié)： ND NA N0 NAlP N結(jié)結(jié)： NA ND N0 ND突變結(jié)突變結(jié)ADNNDNANx09P-SiN-Si擴散法制造擴散法制造PNPN結(jié)過程結(jié)過程緩變結(jié)緩變結(jié)NPx雜質(zhì)濃度xjND -NA 在一塊在一塊N型硅片型硅片上用化學方法涂敷一層含有上用化學方法涂敷一層含有Al2O3的乙醇的乙醇溶液溶液

5、，在紅外線燈下干燥后，置于，在紅外線燈下干燥后，置于1250的的擴散爐擴散爐中進行高中進行高溫處理若干小時，然后緩慢降溫。溫處理若干小時，然后緩慢降溫。PN結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度是非均勻的結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度是非均勻的常按照一定的函數(shù)規(guī)律而變化。常按照一定的函數(shù)規(guī)律而變化。DAjjNNa x x10 實際實際PNPN結(jié)近似結(jié)近似緩變緩變PNPN結(jié)附近雜質(zhì)濃結(jié)附近雜質(zhì)濃度有兩種近似處理方度有兩種近似處理方法法A A、線性緩變結(jié)近似、線性緩變結(jié)近似B B、突變結(jié)近似、突變結(jié)近似NPx雜質(zhì)濃度xjND -NA112.1.1 PN2.1.1 PN結(jié)空間電荷區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)2.1.2 2.1.2 電場分布于電勢分布

6、電場分布于電勢分布2.1 熱平衡熱平衡PN 結(jié)結(jié)12平衡平衡PNPN結(jié)：結(jié)：指半導(dǎo)體在零偏壓條件下的指半導(dǎo)體在零偏壓條件下的PNPN結(jié)。結(jié)。 PN PN 結(jié)內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定，不存在外加結(jié)內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定，不存在外加 電壓、光照、磁場、輻射等外作用平衡電壓、光照、磁場、輻射等外作用平衡 狀態(tài)。狀態(tài)。2.1.1 PN結(jié)空間電荷區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)13平衡平衡PNPN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖 平衡平衡PNPN結(jié)有統(tǒng)一的費密能級結(jié)有統(tǒng)一的費密能級E EF F14空間電荷：空間電荷：帶正電的電離施主和帶負電荷的電離帶正電的電離施主和帶負電荷的電離 受主都是固定在晶格點上不可移動，受主都是固定在晶格點上不可移動， 稱之

7、為空間電荷。稱之為空間電荷?？臻g電荷區(qū)：空間電荷區(qū)：空間電荷所在的區(qū)域?？臻g電荷所在的區(qū)域。 空間電荷區(qū)的形成空間電荷區(qū)的形成空間電荷不能移動，也不能傳導(dǎo)電流?？臻g電荷不能移動，也不能傳導(dǎo)電流。15內(nèi)建電場內(nèi)建電場E內(nèi)內(nèi)：空間電荷所產(chǎn)生的電場，空間電荷所產(chǎn)生的電場，此電場不是由外部因素引起的，而是由此電場不是由外部因素引起的，而是由PNPN結(jié)內(nèi)部結(jié)內(nèi)部 載流子運動形成的，由載流子運動形成的，由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)。區(qū)。PN結(jié)的內(nèi)建電勢結(jié)的內(nèi)建電勢(接觸電勢接觸電勢)由內(nèi)建電場所導(dǎo)致的由內(nèi)建電場所導(dǎo)致的N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)的電位差。區(qū)的電位差。一、空間電荷區(qū)的形成一、空間電荷區(qū)的形成01

8、6l : 接觸電勢差接觸電勢差 （內(nèi)建電勢）（內(nèi)建電勢）l空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)又稱又稱l勢壘區(qū)勢壘區(qū)l耗盡層耗盡層平衡平衡PNPN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖2.1.1 平衡平衡PN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖0P PN N空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場內(nèi)建電場P PN Nxpxn位位電電q電子的電勢能電子的電勢能帶帶能能qVDECEVEFEi帶帶能能ECEVEFNEiEFP00171 1、中性區(qū)：遠離空間電荷區(qū)、中性區(qū)：遠離空間電荷區(qū)P P型和型和N N型區(qū)型區(qū)多子濃度等于電離雜質(zhì)多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，因而保持電中性。這時這部分區(qū)域稱為濃度，因而保持電中性。這時這部分區(qū)域稱為 “ “中性區(qū)中性區(qū)”。2 2、邊界層

9、：邊界層：既存在失去電子的空穴的雜質(zhì)電離中心，又存在一既存在失去電子的空穴的雜質(zhì)電離中心，又存在一些自由載流子，電荷分布很復(fù)雜，可以推得邊界層的寬度遠小于些自由載流子，電荷分布很復(fù)雜，可以推得邊界層的寬度遠小于空間電荷區(qū)的寬度，通?？臻g電荷區(qū)的寬度，通?？梢院雎钥梢院雎? 3、耗盡區(qū)：耗盡區(qū)：在空間電荷區(qū)，雜質(zhì)電離中心濃度較大，遠大于自在空間電荷區(qū)，雜質(zhì)電離中心濃度較大，遠大于自由載流子濃度，相當于載流子濃度被耗盡，所以該區(qū)域稱為耗盡由載流子濃度，相當于載流子濃度被耗盡，所以該區(qū)域稱為耗盡區(qū)或者耗盡層。區(qū)或者耗盡層。PNPN結(jié)分為三部分：結(jié)分為三部分：2.1.22.1.2電場分布與電勢分布電場

10、分布與電勢分布18一個平衡一個平衡PNPN結(jié)中，空間電荷區(qū)以外的區(qū)域都是電中性的。結(jié)中，空間電荷區(qū)以外的區(qū)域都是電中性的。P區(qū)一側(cè)的中性區(qū)稱為區(qū)一側(cè)的中性區(qū)稱為P型中性區(qū)；型中性區(qū)；N區(qū)一側(cè)的中性區(qū)稱為區(qū)一側(cè)的中性區(qū)稱為N型中性區(qū)。型中性區(qū)。NP空間電荷區(qū)XM1902lnADiN NkTqnNA：P區(qū)受主摻雜濃度區(qū)受主摻雜濃度 ND：N區(qū)施主摻雜濃度區(qū)施主摻雜濃度ni ：本征載流子濃度：本征載流子濃度 0.026 300kTVTKq擴散電勢差擴散電勢差PNPN結(jié)的勢壘高度與兩邊的摻雜濃度有關(guān)。結(jié)的勢壘高度與兩邊的摻雜濃度有關(guān)。摻雜濃度越高，勢壘高度越大。摻雜濃度越高，勢壘高度越大。從能帶圖可以

11、看出：從能帶圖可以看出：N區(qū)摻雜濃度越高，區(qū)摻雜濃度越高，N型區(qū)費米能級型區(qū)費米能級(EF)n越靠近導(dǎo)帶底越靠近導(dǎo)帶底P區(qū)摻雜濃度越高，區(qū)摻雜濃度越高，P型區(qū)費米能級型區(qū)費米能級(EF)p越靠近價帶頂越靠近價帶頂PN結(jié)勢壘高度結(jié)勢壘高度qVD也越大。也越大。0202 2、耗盡區(qū)、耗盡區(qū) ：假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子完全擴散掉，即完全耗盡，空間電荷完全由電離雜質(zhì)提供。這時空間電荷區(qū)又可稱為。P PN N空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場內(nèi)建電場P PN Nxpxn位位電電q電子的電勢能電子的電勢能帶帶能能qVDECEVEFEi帶帶能能ECEVEFNEiEFP0021 設(shè)設(shè)P P型和型和N N型側(cè)的耗盡層

12、寬度分別為型側(cè)的耗盡層寬度分別為x xp p和和x xn n, ,整個空間電荷層寬度表示為整個空間電荷層寬度表示為W=x W=x n n +x +x p p 耗盡層寬度與擴散電勢差有關(guān)，具體的計耗盡層寬度與擴散電勢差有關(guān)，具體的計算分情況討論（了解）算分情況討論（了解） 空間電荷區(qū)的自建電場強度是非均勻電場，空間電荷區(qū)的自建電場強度是非均勻電場，電場強度是電場強度是x x的函數(shù)的函數(shù)對于P+N突變結(jié)222.2 2.2 加偏壓的加偏壓的PNPN結(jié)結(jié)2.2.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?.2.2 少數(shù)載流子的注入與輸運少數(shù)載流子的注入與輸運23非平衡非平衡PN結(jié)結(jié)l處于一定偏置狀態(tài)下的處于

13、一定偏置狀態(tài)下的PN結(jié)稱為結(jié)稱為非平衡非平衡PN結(jié)結(jié)l當當PN結(jié)兩端加正向偏結(jié)兩端加正向偏壓壓VF，即，即P區(qū)接電源的區(qū)接電源的正極，正極，N區(qū)接電源的負區(qū)接電源的負極，稱為極，稱為正向正向PN結(jié)結(jié)。PN 正向正向PNPN結(jié)結(jié)PN 反向反向PNPN結(jié)結(jié)反之，當反之，當PN結(jié)兩端加反結(jié)兩端加反向偏壓向偏壓VR則稱則稱反向反向PN結(jié)結(jié)。2.2.1 PN2.2.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?4正向電壓正向電壓VF 外加電場與內(nèi)建電場方向相反外加電場與內(nèi)建電場方向相反 空間電荷區(qū)中的電場減弱空間電荷區(qū)中的電場減弱 勢壘區(qū)寬度變窄勢壘區(qū)寬度變窄 勢壘高度變低勢壘高度變低 qVD q(VDVF) 破壞擴散與漂移運動間的平衡破壞擴散與漂移運動間的平衡 擴散運動擴散運動 強于強于 漂移運動漂移運動 形成形成較大的電流較大的電流， 正向偏壓給正向偏壓給PN結(jié)形成了結(jié)形成了低阻的低阻的電流通路電流通路0025 PN結(jié)的反向特性結(jié)的反向特性反向反向PN結(jié)結(jié) P P區(qū)接負，區(qū)接負，N N區(qū)接正區(qū)接正外加電場與內(nèi)建電場方向相同外加電場與內(nèi)建電場方向相同空間電荷區(qū)中的電場增強空間電荷區(qū)中的電場增強 反向電壓使：反向電壓使： 勢壘區(qū)寬度變寬勢壘區(qū)寬度變寬 勢壘高度變高勢壘高度變高qVqVDDq(Vq(VDD+V+VR R) )