微電子器件2-1課件

PN

結是構成各種半導體器件的基本單元。第

2

章PN

結分析方法：將PN

結分為三個區(qū)，在每個區(qū)中分別對半導體器件基本方程進行簡化和求解。P區(qū)

NAN區(qū)

ND

突變結：P

區(qū)與

N

區(qū)的雜質濃度都是均勻的

，雜質濃度在冶金結面（x

=0）處發(fā)生突變。當一側的濃度遠大于另一側時

，稱為

單邊突變結，分別記為

PN+

單邊突變結和P+N

單邊突變結。線性緩變結：冶金結面兩側的雜質濃度隨距離作線性變化，雜質濃度梯度a為常數。

平衡狀態(tài)：PN

結內部的溫度均勻穩(wěn)定，不存在外加電壓、光照、磁場、輻射等外作用。2.1PN

結的平衡狀態(tài)本節(jié)將介紹

PN

結

空間電荷區(qū)的形成，PN

結的

內建電場、內建電勢，及平衡時的

PN

結

空間電荷區(qū)寬度。擴散電流：P

區(qū)N

區(qū)漂移電流：P

區(qū)N

區(qū)P

區(qū)留下

NA-，N區(qū)留下

ND+，形成

空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)產生的電場稱為

內建電場，方向為由

N

區(qū)指向

P

區(qū)。電場的存在會引起漂移電流，方向為由

N

區(qū)指向

P

區(qū)。

達到平衡時，凈電流=0。于是就形成一個穩(wěn)定的有一定寬度的空間電荷區(qū)。內建電場空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0ND+nn0

耗盡近似：假設空間電荷區(qū)內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提供。這時空間電荷區(qū)又可稱為“耗盡區(qū)”。

中性近似：假設耗盡區(qū)以外多子濃度等于電離雜質濃度

，因而保持電中性。這時這部分區(qū)域又可稱為“中性區(qū)”。

2.1.2內建電場、內建電勢與耗盡區(qū)寬度

1、耗盡近似與中性近似

P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0ND+nn0對于

突變結，由第一章例

1.1

的式（1-14a），當采用耗盡近似后，在

N

區(qū)的耗盡區(qū)中，泊松方程為積分一次，得由邊界條件：可求得常數

C

為

2、內建電場于是可得（2-5a）在x=0處，內建電場達到最大值，由上式可求出

N

區(qū)與

P

區(qū)的耗盡區(qū)寬度

及

總的耗盡區(qū)寬度，式中，稱為

約化濃度。3、耗盡區(qū)寬度

（2-6）（2-8）（2-7）對內建電場作積分可得

內建電勢（也稱為

擴散電勢）Vbi

或4、內建電勢

（2-10）但是有4個未知數，即、、和。下面用另一種方法來求。以上建立了

3

個方程，即(2-6)、(2-7)和(2-10)，（2-6）（2-7）（2-10）由于，，故得

Vbi與摻雜濃度、溫度及半導體的種類有關。在通常的摻雜范圍和室溫下，硅的

Vbi

約為0.75V。（2-13）最后可得對于

P+N

單邊突變結，則以上各式可簡化為

5、單邊突變結的情形

在平衡狀態(tài)下，

PN

結能帶圖中的費米能級

EF

是水平的，而導帶底

EC、價帶頂

EV與本征費米能級

Ei

則均與有相同的形狀，由此可畫出平衡

PN

結的能帶圖如下圖所示。

已知突變結耗盡區(qū)內的電場分布

E(x)

后，對

E(x)

作一次積分就可以求出耗盡區(qū)內的

電位分布以及

電子的電位能分布。2.1.3能帶圖N區(qū)P區(qū)由圖可見，電子從

N

區(qū)到

P

區(qū)必須克服一個高度為

qVbi的勢壘，空穴從

P

區(qū)到

N

區(qū)也必須克服一個同樣高度的勢壘，所以耗盡區(qū)也被稱為“勢壘區(qū)”。P區(qū)N區(qū)下面討論載流子的濃度分布。平衡載流子濃度可表為根據能帶圖，Ei(x)可表為代入載流子濃度表達式中，得內建電勢

Vbi

為將上面關于與的兩個方程聯立，可解得上式中，以上關于平衡

PN

結的各公式，都可推廣到有外加電壓時的情形。如果設外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，則

只需將各公式中的

Vbi