p-n結(jié)原理1：p-n結(jié)的形成和能帶

1、-n結(jié)原理1: p-n結(jié)的形成和能帶（冶金學(xué)基而）b） p型和n型半導(dǎo)體在接觸之, 形成空間電荷區(qū)的情況電子.擴(kuò)散區(qū)空包擴(kuò)散區(qū)載流子的轉(zhuǎn)移:p-n結(jié)基本概念是解決許多微電子和光電子器件的物理基礎(chǔ)。對(duì)于許多半導(dǎo)體器件問題的理解不夠深透，歸根到底還在于對(duì)于p-n結(jié)概念的認(rèn)識(shí)尚有模糊之處的緣故。主要（多數(shù)）載流子種類不同。因此，當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合而成的一個(gè)體系一一p-n結(jié)時(shí)，為了達(dá)到熱平衡狀態(tài)（即無能量轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)），就會(huì)出現(xiàn)載流子的轉(zhuǎn)移：電子從功因?yàn)閜-n結(jié)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其中存在有電場(chǎng)很強(qiáng)的空間電荷區(qū)，故p-n結(jié)的形成機(jī)理，關(guān)鍵也就在于空間電荷區(qū)的形成問題；p-n結(jié)的能帶也

2、就反映了空間電荷區(qū)中電場(chǎng)的作用。P型半導(dǎo)體EfEfn型半導(dǎo)體（O熱平衡p-n結(jié)的能帶圖p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體在此需要考慮的兩個(gè)不同點(diǎn)即為（見圖（a）：功函數(shù)W不同；（a） p型和n型半導(dǎo)體在接觸前 的分立能帶情況（琳空中自由電子的能立）p型半導(dǎo)體叩晶自型半導(dǎo)缽p型半導(dǎo)體g n型半導(dǎo)體函數(shù)小的半導(dǎo)體發(fā)射到功函數(shù)大的半導(dǎo)體去，或者載流子從濃度大的一邊擴(kuò)散到濃度小的一邊去。對(duì)于同質(zhì)結(jié)而言，載流子的轉(zhuǎn)移機(jī)理主要是濃度梯度所引起的擴(kuò)散；對(duì)于異質(zhì)結(jié)（例如Si-Ge異質(zhì) 結(jié)，金屬-半導(dǎo)體接觸）而言，載流子的轉(zhuǎn)移機(jī)理則主要是功函數(shù)不同所引起的熱發(fā)射。（2）空間電荷和內(nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生現(xiàn)在考慮同質(zhì)p-n結(jié)的形成：在

3、p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的接觸邊緣附近處（即冶金學(xué)界面附 近處），當(dāng)有空穴從p型半導(dǎo)體擴(kuò)散到n型半導(dǎo)體一邊去了之后，就在n型半導(dǎo)體中增加了正電荷， 同時(shí)在p型半導(dǎo)體中減少了正電荷，從而也就在p型半導(dǎo)體中留下了不能移動(dòng)的電離受主中心一 負(fù)離子中心；與此同時(shí)，當(dāng)有電子從n型半導(dǎo)體擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體一邊去了之后，就在p型半導(dǎo)體 中增加了負(fù)電荷，同時(shí)在n型半導(dǎo)體中減少了負(fù)電荷，從而也就在n型半導(dǎo)體中留下了不能移動(dòng)的 電離施主中心一正離子中心。這就意味著，在p型半導(dǎo)體一邊多出了負(fù)電荷（由電離受主中心和 電子所提供），在n型半導(dǎo)體一邊多出了正電荷（由電離施主中心和空穴所提供），這些由電離雜 質(zhì)中心和載流子所提

4、供的多余電荷即稱為空間電荷，它們都局限于接觸邊緣附近處，以電偶極層的 形式存在，如圖（b）所示。由于在兩種半導(dǎo)體接觸邊緣的附近處存在著正、負(fù)空間電荷分列兩邊的偶極層，所以就產(chǎn)生出 一個(gè)從n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。在此，內(nèi)建電場(chǎng)僅局限于空間電荷區(qū)范 圍以內(nèi)，在空間電荷區(qū)以外都是不存在電場(chǎng)的電中性區(qū)。至于勢(shì)壘區(qū)中內(nèi)建電場(chǎng)的分布形式，決定于空間電荷的分布，主要是決定于摻雜濃度的分布。 對(duì)于摻雜濃度在p-n結(jié)冶金學(xué)界面處突然改變者，稱為突變結(jié)，其中內(nèi)建電場(chǎng)在勢(shì)壘區(qū)兩邊的分布 基本上是線性分布；對(duì)于摻雜濃度在p-n結(jié)冶金學(xué)界面處線性地改變者，稱為線性緩變結(jié)，其中內(nèi) 建電場(chǎng)的分布近似為

5、亞拋物線分布。（3）p-n結(jié)的勢(shì)壘和能帶因?yàn)樵趐-n結(jié)界面附近處存在著內(nèi)建電場(chǎng)，而該內(nèi)建電場(chǎng)的方向正好是阻擋著空穴進(jìn)一步從p 型半導(dǎo)體擴(kuò)散到n型半導(dǎo)體去，同時(shí)也阻擋著電子從n型半導(dǎo)體進(jìn)一步擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體去。于是 從能量上來看，由于空間電荷-內(nèi)建電場(chǎng)的出現(xiàn)，就使得電子在p型半導(dǎo)體一邊的能量提高了，同時(shí) 空穴在n型半導(dǎo)體一邊的能量也提高了；而在界面附近處產(chǎn)生出了一個(gè)阻擋載流子進(jìn)一步擴(kuò)散的勢(shì) 壘一p-n結(jié)勢(shì)壘。根據(jù)內(nèi)建電場(chǎng)所引起的這種能量變化關(guān)系，即可畫出p-n結(jié)的能帶圖，如圖（c） 所示。在達(dá)到熱平衡之后，兩邊的Fermi能級(jí)（EF）是拉平（統(tǒng)一）的。能帶的傾斜就表示著電場(chǎng) 的存在。勢(shì)壘高度:實(shí)

6、際上，在p-n結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)就使得p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體之間產(chǎn)生了電位差一內(nèi) 建電勢(shì)差（或內(nèi)建電壓）。電場(chǎng)越強(qiáng)，內(nèi)建電勢(shì)差就越大。此內(nèi)建電勢(shì)差所對(duì)應(yīng)的能量差（能量基 電勢(shì)差x電子電荷），即為p-n結(jié)的勢(shì)壘高度。雖然勢(shì)壘高度并不直接反映的內(nèi)建電場(chǎng)的大小，因?yàn)?內(nèi)建電場(chǎng)在勢(shì)壘區(qū)中的分布可能不一定均勻（決定于空間電荷密度的分布），然而內(nèi)建電場(chǎng)分布曲 線下面的面積卻總是一定的（即內(nèi)建電壓不變）。所以，電場(chǎng)越強(qiáng)，勢(shì)壘高度也就越大。注意：a）從熱平衡時(shí)p-n結(jié)能帶圖的形成來看（比較圖（a）和圖（c），勢(shì)壘高度實(shí)際上也就 等于兩邊半導(dǎo)體在接觸之前的Fermi能級(jí)之差，即：勢(shì)壘高度=EFn - EFp。b

7、）內(nèi)建電勢(shì)差是p-n結(jié)為了達(dá)到熱平衡、而在內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生出來的一個(gè)電勢(shì)差，只是局限于p-n結(jié)界面附近；該電勢(shì) 差在外面不可能表現(xiàn)出來，因?yàn)檫@時(shí)p-n結(jié)體系是處于熱平衡狀態(tài)，不可能對(duì)外做功。因?yàn)閜-n結(jié)中內(nèi)建電勢(shì)差的存在，就使得電子在p型半導(dǎo)體一邊的勢(shì)能要高于n型半導(dǎo)體一邊， 空穴的勢(shì)能恰恰相反。而電子的勢(shì)能可看成是導(dǎo)帶底能量，空穴的勢(shì)能可看成是價(jià)帶頂能量，所以 p-n結(jié)兩邊的整個(gè)能帶的高低，就相差一個(gè)與此內(nèi)建電勢(shì)差相對(duì)應(yīng)的勢(shì)能差一p-n結(jié)的勢(shì)壘高度。 由于電場(chǎng)等于勢(shì)能梯度，因此能帶在勢(shì)壘區(qū)中是傾斜的，在以外是水平的，如圖（c）所示。勢(shì)壘厚度:存在內(nèi)建電場(chǎng)的區(qū)域就是勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)的厚度（或?qū)挾龋┡c

8、半導(dǎo)體的摻雜濃度等因素有關(guān)。 可以想見，在摻雜濃度一定（即空間電荷密度一定）的條件下，內(nèi)建電場(chǎng)越強(qiáng)、勢(shì)壘高度越大，勢(shì) 壘厚度也就將越大；但勢(shì)壘厚度與勢(shì)壘高度之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，這決定于摻雜濃度的分布形 式（突變結(jié)近似為平方根關(guān)系，線性緩變結(jié)近似為立方根關(guān)系）。（4）p-n結(jié)的基本特點(diǎn)在單獨(dú)的n型半導(dǎo)體或者p型半導(dǎo)體中，電子的勢(shì)能都是一樣的（可以認(rèn)為都是導(dǎo)帶底能量）， 空穴亦然（價(jià)帶頂能量）；但是在熱平衡的p-n結(jié)中，因?yàn)閚型和p型這兩邊之間存在著內(nèi)建電勢(shì) 差，則電子在n型半導(dǎo)體中和在p型半導(dǎo)體中的勢(shì)能就不一樣了，所以導(dǎo)帶底以及價(jià)帶頂在兩邊的 高低也就有所不同了（即p型半導(dǎo)體一邊的整個(gè)能帶都

9、要高于n型半導(dǎo)體一邊的整個(gè)能帶）。對(duì)于一般的p-n結(jié)，它的勢(shì)壘區(qū)與空間電荷區(qū)是重合的（但是，pin結(jié)的勢(shì)壘區(qū)要比空間電 荷區(qū)寬得多），因此只有在p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)中才存在著內(nèi)建電場(chǎng)，在勢(shì)壘區(qū)以外是電中性區(qū)。從而， p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)中的能帶是傾斜的，載流子在勢(shì)壘區(qū)以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要靠漂移；但在勢(shì)壘區(qū)以外的能帶 是水平的，載流子的運(yùn)動(dòng)主要靠擴(kuò)散。對(duì)于勢(shì)壘區(qū)以外、兩邊的電中性區(qū)，其中一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度大小 的范圍特稱為擴(kuò)散區(qū)，因?yàn)檫@是少數(shù)載流子能夠擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)邊緣的一個(gè)有效范圍，在此范圍以外 的電中性區(qū)中的少數(shù)載流子就難以擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)。因?yàn)閯?shì)壘區(qū)是在冶金學(xué)界面附近處的一個(gè)區(qū)域，其厚度一般較薄，所以勢(shì)壘區(qū)中的內(nèi)建電場(chǎng) 通常都較強(qiáng)；而內(nèi)建電場(chǎng)起著把導(dǎo)帶