第五章 P-N結

1、 1 p-n結及其基本概念結及其基本概念 2 p-n結的電流電壓特性結的電流電壓特性 3 p-n結電容結電容 4 4 p-n結的隧道效應結的隧道效應 5 5 p-n結的光生伏特效應結的光生伏特效應 (1) p-n結的形成結的形成 (2) p-n結的基本概念結的基本概念 p-np-n結的形成結的形成lp-np-n結的形成結的形成 控制同一塊半導體的摻雜控制同一塊半導體的摻雜, ,形成形成pnpn結結 ( (合金法合金法; ; 擴散法擴散法; ; 離子注入法等離子注入法等) ) 在在p(np(n) )型半導體上外延生長型半導體上外延生長n(pn(p) )型半導體型半導體l同質結和異質結同質結和異質

2、結 由導電類型相反的同一種半導體單晶材由導電類型相反的同一種半導體單晶材料組成的料組成的pnpn結結- -同質結同質結 由兩種不同的半導體單晶材料組成的由兩種不同的半導體單晶材料組成的結結異質結異質結l工藝簡介工藝簡介: 合金法合金法合金燒結方法形成合金燒結方法形成pn結結 擴散法擴散法高溫下熱擴散高溫下熱擴散,進行摻雜進行摻雜 離子注入法離子注入法將雜質離子轟擊到半導體基片將雜質離子轟擊到半導體基片中摻雜分布主要由離子質量和注入離子的能量中摻雜分布主要由離子質量和注入離子的能量決定（典型的離子能量是決定（典型的離子能量是30-300keV,注入劑量注入劑量是在是在1011-1016離子數(shù)離子

3、數(shù)/cm2范圍），用于形成淺范圍），用于形成淺結結l雜質分布的簡化雜質分布的簡化: 突變結突變結, 線性緩變結線性緩變結圖6-2圖6-3合金法合金法圖6-4圖6-5(a)擴散法擴散法 p-np-n結的基本概念結的基本概念空間電荷區(qū)空間電荷區(qū): : 在結面附近在結面附近, , 由于存在載流子濃度梯由于存在載流子濃度梯度度, ,導致載流子的擴散導致載流子的擴散. . 擴散的結果擴散的結果: : 在結面附近在結面附近, ,出現(xiàn)靜電荷出現(xiàn)靜電荷- - -空間電荷空間電荷( (電離施主電離施主, ,電離受主電離受主). ). 空間電荷區(qū)中存在電場空間電荷區(qū)中存在電場- -內(nèi)建電場內(nèi)建電場, ,內(nèi)內(nèi)建電場

4、的方向建電場的方向: : npnp . . 在內(nèi)建電場作用下在內(nèi)建電場作用下, ,載流子要作漂移運動載流子要作漂移運動. .平衡平衡p-np-n結及其能帶圖結及其能帶圖: : 當無外加電壓當無外加電壓, , 載流子的流動終將達到載流子的流動終將達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡( (漂移運動與擴散運動的效果相漂移運動與擴散運動的效果相抵消抵消, , 電荷沒有凈流動電荷沒有凈流動), ), p-np-n結有統(tǒng)一的結有統(tǒng)一的E EF F ( (平衡平衡pnpn結結) ) 結面附近結面附近, ,存在內(nèi)建電場存在內(nèi)建電場, ,造成能帶彎造成能帶彎曲曲, ,形成形成勢壘區(qū)勢壘區(qū)( (即空間電荷區(qū)即空間電荷區(qū)). ).

5、熱平衡條件PNHolevESilicon (p-type)Silicon (n-type)cEiEfEcEfEiEvE熱平衡條件接觸電勢差接觸電勢差: : pnpn結的勢壘高度結的勢壘高度eVeVD D 接觸電勢差接觸電勢差V VD D 對非簡并半導體對非簡并半導體, ,飽和電離近似飽和電離近似, ,接觸接觸電勢為電勢為: : V VD D與二邊摻雜有關與二邊摻雜有關, , 與與EgEg有關有關020lnlnnDADpinN NkTkTVenen圖圖6-8電勢電勢電子勢能電子勢能(能帶能帶)平衡平衡p-np-n結的載流子濃度分布結的載流子濃度分布: : 當電勢零點取當電勢零點取x=-xx=-x

6、p p處處, ,則有則有: : 勢壘區(qū)的載流子濃度為勢壘區(qū)的載流子濃度為: :( )( )( ) ( )Fi xi xFEEEEkTkTiin xnep xne, ; ( )( )piipniipDiipxxEExxEEeVE xEeV x 即有即有:00 pppxxnnpp00 nnnxxnnpp0000 DDeVeVkTkTpnnpnn epp e( )( )00( ) ( )npeV xeV xkTkTppxxxn xn ep xp e圖6-9l平衡平衡p-np-n結載流子濃度分布的基本特點結載流子濃度分布的基本特點: : 同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關

7、系服從玻爾茲曼關系系服從玻爾茲曼關系 處處都有處處都有n np p=ni=ni2 2 勢壘區(qū)是勢壘區(qū)是高阻區(qū)高阻區(qū)( (常稱作常稱作耗盡層耗盡層) ) (1) dEF/dx與電流密度的關系與電流密度的關系 (2) 正向偏壓下的正向偏壓下的p-n結結 (3) 反向偏壓下的反向偏壓下的p-n結結 (4) 理想理想p-n結結 (5) 伏安特性伏安特性 dEdEF F/dx/dx與電流密度的關系與電流密度的關系 -E-EF F隨位置的變化隨位置的變化與電流密度的關系與電流密度的關系l熱平衡時熱平衡時, E, EF F處處相等處處相等, p-n, p-n結無電流通結無電流通過過( (動態(tài)平衡動態(tài)平衡).

8、 ).l當當p-np-n結有電流通過結有電流通過, E, EF F就不再處處相就不再處處相等等. . 且且, ,電流越大電流越大, E, EF F隨位置的變化越快隨位置的變化越快. . = =FFdEdEJnJpdxdxl總之總之: :是否有電荷流動是否有電荷流動, 并不僅僅取決于是否存并不僅僅取決于是否存在電場在電場當電流密度一定時當電流密度一定時, dEF/dx與載流子濃與載流子濃度成反比度成反比上述討論也適用于電子子系及空穴子系上述討論也適用于電子子系及空穴子系 (用準費米能級取代費米能級用準費米能級取代費米能級):F= =FdEdEJnJpdxdx勢壘勢壘: : 外電壓主要降落外電壓主

9、要降落于于勢壘區(qū)勢壘區(qū) 加正向偏壓加正向偏壓V, V, 勢勢壘高度下降為壘高度下降為 e(Ve(VD D-V),-V), 勢壘區(qū)寬度減少勢壘區(qū)寬度減少. .圖6-10非平衡子的電注入非平衡子的電注入: : 正向偏壓下正向偏壓下, ,勢壘區(qū)內(nèi)電場減少勢壘區(qū)內(nèi)電場減少載流的載流的擴散流擴散流 漂移流漂移流非平衡子電注入形成少非平衡子電注入形成少子擴散區(qū)子擴散區(qū). ( . (外加正向偏壓增大外加正向偏壓增大, ,非平衡子非平衡子電注入增加電注入增加) ) 邊界處的邊界處的載流子濃度為載流子濃度為: : 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時, ,擴散區(qū)內(nèi)少子分布也是穩(wěn)定的擴散區(qū)內(nèi)少子分布也是穩(wěn)定的. .00()() eVkT

10、ppeVkTnnnxn ep xp e正向偏壓下非平正向偏壓下非平衡少子的分布衡少子的分布電流電流: : 在體內(nèi)在體內(nèi), ,電流是多子漂流電流電流是多子漂流電流 在少子擴散區(qū)在少子擴散區(qū), ,多子電流主要是漂流電流多子電流主要是漂流電流; ;少子少子電流是擴散電流電流是擴散電流 討論空穴電流的變化討論空穴電流的變化: : 在電子擴散區(qū)在電子擴散區(qū), ,空空穴穴( (多子多子) )邊漂移邊與電子復合邊漂移邊與電子復合; ; 勢壘區(qū)很勢壘區(qū)很薄薄, ,勢壘區(qū)中空穴電流可認為不變勢壘區(qū)中空穴電流可認為不變; ;在空穴在空穴擴散區(qū)擴散區(qū), ,空穴空穴( (少子少子) )邊擴散邊與電子復合邊擴散邊與電子

11、復合. . 類似地類似地, , 可討論電子電流的變化可討論電子電流的變化: :l穩(wěn)態(tài)下穩(wěn)態(tài)下, , 通過任一截面的總電流是相等的通過任一截面的總電流是相等的 J=JJ=J+ +J+J- - = J= J+ +(x (xn n)+ J)+ J- - (-x(-xp p) ) 綠色綠色: : 漂移電流漂移電流. . 紫色紫色: : 擴散電流擴散電流. .準費米能級準費米能級: E: EF F- -, E, EF F+ +l 在勢壘區(qū)在勢壘區(qū), ,擴散區(qū)擴散區(qū), , 電子和空穴有不同的電子和空穴有不同的準費米能級準費米能級: : 在擴散區(qū)在擴散區(qū), , 可認為多子的準費米能級保持可認為多子的準費米能

12、級保持不變不變 在勢壘區(qū)在勢壘區(qū), , 近似認為準費米能級保持不變近似認為準費米能級保持不變 在擴散區(qū)在擴散區(qū), , 少子的準費米能級與位置有關少子的準費米能級與位置有關, ,且有且有: :FFEEeV圖6-13勢壘高度勢壘高度: : e(Ve(VD D+ +| |V V| |) )非平衡子的電抽取非平衡子的電抽取: : ( (也形成少子擴散區(qū)也形成少子擴散區(qū)) )00()()eVkTppeVkTnnnxn ep xp e電流電流: : 仍有仍有 J=JJ=J+ +J+J- -= J= J+ +(x (xn n)+ J)+ J- - (-x(-xp p) ) 正向偏壓時，在少子擴散區(qū)正向偏壓時

13、，在少子擴散區(qū), , 少子復合少子復合率率 產(chǎn)生率產(chǎn)生率( (非平衡載流子注入非平衡載流子注入); ); 反向時反向時, , 產(chǎn)生率產(chǎn)生率 復合率復合率( (少數(shù)載流子被抽取少數(shù)載流子被抽取) ) 反向時反向時, , 少子濃度梯度很小少子濃度梯度很小反向電流反向電流很小很小準費米能級準費米能級: : 在勢壘區(qū)在勢壘區(qū)FFEEe V圖6-14l理想理想p-np-n結結: : 小注入條件小注入條件 突變結突變結, ,耗盡層近似耗盡層近似可認為外加可認為外加電壓全降落于耗盡層電壓全降落于耗盡層 + +在擴散區(qū)在擴散區(qū), ,少子電流只需考慮擴散少子電流只需考慮擴散 忽略耗盡層中的產(chǎn)生忽略耗盡層中的產(chǎn)生

14、, ,復合復合 通過耗盡層時通過耗盡層時, ,可認為電子電流和可認為電子電流和空穴電流均保持不變空穴電流均保持不變 玻耳茲曼邊界條件玻耳茲曼邊界條件 l定性圖象定性圖象 正向偏壓下正向偏壓下, ,勢壘降低勢壘降低, ,非平衡少子注入非平衡少子注入, ,正向電流隨正向電壓的增加很快增加正向電流隨正向電壓的增加很快增加. . 反向偏壓下反向偏壓下, ,勢壘升高勢壘升高, ,非平衡少子被抽非平衡少子被抽取取, ,反向電流很小反向電流很小, ,并可達到飽和并可達到飽和. . 少子在擴散區(qū)中的分布少子在擴散區(qū)中的分布: : 空穴擴散區(qū)空穴擴散區(qū) 電子擴散區(qū)電子擴散區(qū)0()(), ()(1)nx xeVL

15、kTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne 少子擴散電流少子擴散電流: 邊界處的少子擴散電流邊界處的少子擴散電流為為00( )()(1)( )()(1)eVkTnXnneVkTpXppeDd p xJxeDpedxLeDd n xJxeDnedxL JV特性特性:00()()(1) eVkTnpSSnpJJxJxJeeDeDJpnLL pn junction diode對對J J V V特性的說明特性的說明: : 單向導電性單向導電性: : 反向飽和電流反向飽和電流JsJs 溫度的影響溫度的影響: T, Js: T, Js很快增加

16、很快增加 單邊突變結單邊突變結: Js: Js的表達式中只有一的表達式中只有一項起主要作用項起主要作用只需考慮一邊的少子擴只需考慮一邊的少子擴散散 正向導通電壓正向導通電壓: Eg: Eg越大的材料越大的材料, ,具有具有更大的正向導通電壓更大的正向導通電壓. .l現(xiàn)象現(xiàn)象: 對對p-n結施加反向偏壓時結施加反向偏壓時, 當反向偏壓當反向偏壓增大到某一數(shù)值時增大到某一數(shù)值時, 反向電流密度突然開反向電流密度突然開始迅速增大始迅速增大. 發(fā)生擊穿時的反向偏壓發(fā)生擊穿時的反向偏壓- p-n結的擊穿結的擊穿電壓電壓.lp-np-n結擊穿的基本原因結擊穿的基本原因: 載流子數(shù)目的突然增加載流子數(shù)目的突

17、然增加.l擊穿機理擊穿機理: : 雪崩擊穿雪崩擊穿強電場下的碰撞電離強電場下的碰撞電離, 使載使載流子倍增流子倍增 隧道擊穿隧道擊穿大反向偏壓下大反向偏壓下, 隧道貫穿使隧道貫穿使反向電流急劇增加反向電流急劇增加 熱電擊穿熱電擊穿不斷上升的結溫不斷上升的結溫, 使反向飽使反向飽和電流持續(xù)地迅速增大和電流持續(xù)地迅速增大 (1)(1) 電容效應電容效應 (2)(2) 突變結的空間電荷區(qū)突變結的空間電荷區(qū) (3)(3) 突變結勢壘電容突變結勢壘電容 (4) (4) 擴散電容擴散電容 lp-np-n結有存儲和釋放電荷的能力。結有存儲和釋放電荷的能力。勢壘電容勢壘電容 C CT T 當當p-np-n結上

18、外加電壓變化，勢壘區(qū)的結上外加電壓變化，勢壘區(qū)的空間電荷相應變化所對應的電容效應空間電荷相應變化所對應的電容效應. . 當當p-np-n結上外加的正向電壓增加，勢壘結上外加的正向電壓增加，勢壘高度降低高度降低空間電荷減少空間電荷減少 當當p-np-n結上外加的反向電壓增加，勢壘結上外加的反向電壓增加，勢壘高度增加高度增加空間電荷增加空間電荷增加圖6-19(c)擴散電容擴散電容 C CD D 當當p-np-n結上外加電壓變化，擴散區(qū)的結上外加電壓變化，擴散區(qū)的非平衡載流子的積累相應變化所對應的非平衡載流子的積累相應變化所對應的電容效應電容效應. . 當正向偏置電壓增加，擴散區(qū)內(nèi)的非平當正向偏置電

19、壓增加，擴散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加衡載流子積累很快增加 在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不大大, ,擴散電容擴散電容 可忽略可忽略lp-np-n結的勢壘電容和擴散電容都隨外加電結的勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓而變化壓而變化- - C CT T 和和C CD D都是微分電容都是微分電容: : C=dQ/dV C=dQ/dV耗盡層近似下的耗盡層近似下的空間電荷空間電荷: : 突變結突變結+ +雜質完全電離雜質完全電離+ +耗盡近似耗盡近似的條件的條件下，勢壘區(qū)中電離雜質組成空間電荷下，勢壘區(qū)中電離雜質組成空間電荷l勢壘寬度勢壘寬度: d= : d= X

20、Xp p +X+Xn nl勢壘區(qū)中正負電荷總量相等：勢壘區(qū)中正負電荷總量相等： | |Q Q|=eN|=eNA AX Xp p =eN=eND DX Xn n勢壘區(qū)勢壘區(qū)能帶能帶空間電荷分布空間電荷分布矩形近似矩形近似 電場電場: : 泊松方程：泊松方程： E=- ( dV/dxE=- ( dV/dx ) +C ) +C 在在x=0 x=0處處, , 內(nèi)建電場數(shù)值達到極大內(nèi)建電場數(shù)值達到極大 電勢電勢: : 拋物線分布拋物線分布000ADMpnQeNeNEXX220( )d Vxdx 空間電荷空間電荷電場電場電勢電勢能帶能帶 空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度: : 平衡平衡p-np-n結結 當加外

21、電壓當加外電壓V V 1202()DADDANNdVeN N1202()()DADDANNdVVeN N 單邊突變結單邊突變結: : 勢壘區(qū)主要在輕摻雜一邊勢壘區(qū)主要在輕摻雜一邊 對對p p+ +-n-n結結, N, NB B代表代表N ND D 對對p-np-n+ +結結, N, NB B代表代表N NA A1202()DBVVdeNP+-n結結l反向偏壓下的反向偏壓下的突變結突變結勢壘電容勢壘電容(單位面積單位面積):1202()()DATDADeN NCdQAdVNNVV0TCAd1/21()TDCVVl幾點說明幾點說明: p-np-n結的結的勢壘電容可以等效為一個平行勢壘電容可以等效為

22、一個平行板電容器板電容器,勢壘寬度即兩平行極板的距離勢壘寬度即兩平行極板的距離 這里求得的勢壘電容這里求得的勢壘電容, 主要適用于主要適用于反向反向偏置情況偏置情況單邊突變結的勢壘電容單邊突變結的勢壘電容:120002()BTDBeNCAVVXdl擴散電容擴散電容C CD D 當當p-np-n結上外加電壓變化，結上外加電壓變化，擴散區(qū)的非平衡載流子的積累相應變化擴散區(qū)的非平衡載流子的積累相應變化所對應的電容效應所對應的電容效應. . ( ) ( )DpppxnxpDnnnCdQQp x edxAdVCdQQn x edxAdVl 少子在擴散區(qū)中的分布少子在擴散區(qū)中的分布: : 在在空穴擴散區(qū)空

23、穴擴散區(qū) 在在電子擴散區(qū)電子擴散區(qū)0()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne l P-n結的結的 單位面積微分擴散電容為單位面積微分擴散電容為: 擴散電容在正向偏壓和低頻下起重要擴散電容在正向偏壓和低頻下起重要的作用的作用.2200()eVDppDnnDkTCe n LCe p LCeAAAkTkT (1) p-n結勢壘區(qū)的隧道貫穿結勢壘區(qū)的隧道貫穿 (2) (2) 隧道結的隧道結的I-VI-V特性特性 隧道效應隧道效應l 隧道效應隧道效應能量低于勢壘的粒子有一定能量低于勢壘的粒子有一定的幾率

24、穿越勢壘的幾率穿越勢壘. 這是一種量子力學效應這是一種量子力學效應l 隧穿幾率隧穿幾率與勢壘的高度有關與勢壘的高度有關, 與勢壘的厚與勢壘的厚度有關度有關.l 隧道二極管隧道二極管利用量子隧穿現(xiàn)象的器件利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應效應l隧道結隧道結 p-np-n結結, , 兩邊都是重摻雜兩邊都是重摻雜( (簡并簡并情況情況), ), 以至在以至在p p區(qū)區(qū), E, EF F進入價帶進入價帶; ; 在在n n區(qū)區(qū), , E EF F進入導帶進入導帶. .l結果結果: n n區(qū)的導帶底部與區(qū)的導帶底部與p p區(qū)的價帶頂部在能區(qū)的價帶頂部在能量上發(fā)生交疊量上發(fā)生交疊 勢壘十分薄勢壘十分薄l電子可以隧道

25、貫穿勢壘區(qū)電子可以隧道貫穿勢壘區(qū). .圖6-29 隧道隧道結的結的I-V特性特性l正向電流一開始就隨正向電壓的增加而正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升迅速上升, ,達到一個極大達到一個極大, ( , (峰值電流峰值電流I Ip p, ,峰峰值電壓值電壓V Vp p ) )l隨后隨后, ,電壓增加電壓增加, ,電流反而減少電流反而減少, ,達到一個極達到一個極小小,( ,(谷值電流谷值電流I Iv v, ,谷值電壓谷值電壓V Vv v) ) 在在V Vp p到到V Vv v的電壓范圍內(nèi)的電壓范圍內(nèi), ,出現(xiàn)出現(xiàn)負阻特性負阻特性. .l當電壓大于谷值電壓后當電壓大于谷值電壓后, ,電流又隨

26、電壓而電流又隨電壓而上升上升圖6-27 0點點平衡平衡pn結結 1點點正向電流正向電流迅速上升迅速上升 2點點電流達到電流達到峰值峰值 3點點隧道電流隧道電流減少減少,出現(xiàn)負阻出現(xiàn)負阻 4點點-隧道電流等隧道電流等于于0 5點點反向電流反向電流隨反向電壓的隨反向電壓的增加而迅速增增加而迅速增加加 (1) (1) p-np-n結的光生伏特效應結的光生伏特效應 (2)(2) 光電池的伏安特性光電池的伏安特性 p-n p-n結的光生伏特效應結的光生伏特效應l適當波長的光適當波長的光, , 照射到非均勻半導體上照射到非均勻半導體上, ,由由于內(nèi)建場的作用于內(nèi)建場的作用, ,半導體內(nèi)部可以產(chǎn)生電半導體內(nèi)

27、部可以產(chǎn)生電動勢動勢( (光生電壓光生電壓)-)-光生伏特效應光生伏特效應是內(nèi)建場是內(nèi)建場引起的光電效應引起的光電效應. .l光生載流子在勢壘區(qū)內(nèi)的內(nèi)建場的作用光生載流子在勢壘區(qū)內(nèi)的內(nèi)建場的作用下下, , 各自向相反方向運動各自向相反方向運動, , 使使p-np-n結兩端產(chǎn)結兩端產(chǎn)生光生電動勢生光生電動勢(p(p端電勢升高端電勢升高,n,n端電勢降端電勢降低低). ). 伏安特性伏安特性l光電池工作時光電池工作時, , 電流可分成三股電流可分成三股: : 光照產(chǎn)生的載流子越過勢壘形成光照產(chǎn)生的載流子越過勢壘形成光生光生電流電流 I IL L 光生電壓作用下的光生電壓作用下的pnpn結結正向電流