半導(dǎo)體材料物理 Chapter 6 pn 結(jié)

ChapterⅥ：pn結(jié)基礎(chǔ)6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶p型n型pn結(jié)6.1.1pn結(jié)定義：p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合的交界面。是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)單元，每一個半導(dǎo)體器件都包含一

個或幾個“結(jié)”，器件的特性與某個“結(jié)”的特性密切相關(guān)。特指同一塊半導(dǎo)體內(nèi)p型區(qū)和n型區(qū)的交界面6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.1pn結(jié)的制備工藝：合金法-突變結(jié)P型雜質(zhì)P型擴散法-緩變結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.1pn結(jié)中的雜質(zhì)分布-突變結(jié)：n型區(qū)雜質(zhì)濃度均勻，p型區(qū)受主雜質(zhì)濃度也是均勻的；交界面處雜質(zhì)的濃度發(fā)生突變，從n型濃度突變到p型濃度；具有這種雜質(zhì)分布的的pn結(jié)稱為突變結(jié)。pn結(jié)位置為，則其雜質(zhì)分布可以表示為6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.1pn結(jié)中的雜質(zhì)分布-緩變結(jié)：P型雜質(zhì)分布不均勻，由擴散過程及雜質(zhì)補償決定；P區(qū)到n區(qū)的雜質(zhì)濃度是漸變的，具有這種雜質(zhì)分布特性的pn結(jié)稱為緩變結(jié)。6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.1pn結(jié)中的雜質(zhì)分布-緩變結(jié)：線性漸變結(jié)近似ND-NA緩變結(jié)：對于擴散結(jié)，如果雜質(zhì)分布可以用處的切線來表示，則成為緩變結(jié)。雜質(zhì)分布數(shù)學(xué)表示為：6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.2空間電荷區(qū)空穴與電離受主均勻相間分布，整體呈電中性自由電子與電離施主均勻相間分布，整體呈電中性pn結(jié)形成的瞬間，結(jié)區(qū)兩側(cè)存在載流子濃度梯度，會產(chǎn)生載流子的擴散運動！結(jié)區(qū)兩側(cè)載流子的擴散運動對pn結(jié)兩側(cè)半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)有何影響呢？多數(shù)載流子的擴散運動會否持續(xù)進行下去直至兩側(cè)的多子和少子濃

度達到平衡呢？6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.2空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場內(nèi)建電場對多子運動的影響？內(nèi)建電場對少子運動的影響？促進少子漂移運動阻礙多子擴散運動多子擴散運動越強，內(nèi)建電場也將擴展增強，繼而少子的漂移運動也將增強！——最終二者的運動達到平衡，結(jié)區(qū)無電流，呈平衡態(tài)！n區(qū)，有多少電子擴散到p區(qū)，就有多少電子從p區(qū)漂移回n區(qū)！6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.2

小結(jié)濃度差形成空間電荷區(qū)促使少子漂移阻止多子擴散形成內(nèi)建電場多子的擴散運動多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.3pn結(jié)能帶圖平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)合成pn結(jié)后，電子從費米能級高的n區(qū)流向費米能級低的p區(qū)，空穴則從p區(qū)流向n區(qū)，因而EFn不斷下移,EFp不斷上移，直至EFn=EFp。勢壘的大小？6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.3pn結(jié)能帶圖勢壘的大小即為載流子（電子、空穴）跨越內(nèi)建電場所需克服的電勢能qVD！勢壘產(chǎn)生的根本原因：內(nèi)建電場的存在。根據(jù)費米能級的定義可知：6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.3pn結(jié)能帶的計算一維下，電子總電流為密度為①②聯(lián)立①②則有或平衡時6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.4接觸電勢差n區(qū)平衡自由電子濃度p區(qū)平衡自由電子濃度6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.4接觸電勢差結(jié)論：接觸電勢差與pn結(jié)的摻雜濃度、溫度、禁帶寬度有關(guān)；一定溫度下，接觸電勢差與摻雜濃度正向相關(guān)；一定溫度下，接觸電勢差與禁帶寬度的關(guān)系？6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布p區(qū)的電子比n區(qū)電子勢能高勢壘區(qū)內(nèi)任一點的電勢能為，該處比n區(qū)電勢能高6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布則x處的電子濃度為6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布1,2,6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布1,2,6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布平衡pn結(jié)中的載流子分布

室溫下，勢壘區(qū)內(nèi)雜質(zhì)基本已電離，但載流子濃度遠小于p區(qū)和n區(qū)多數(shù)載流子濃度，效果上看似乎已經(jīng)耗盡了，故而勢壘區(qū)也稱為耗盡層。在此之中載流子濃度可以忽略。6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.5平衡pn結(jié)中載流子的分布例1：若pn結(jié)勢壘區(qū)某處的電勢能比導(dǎo)帶底Ecn高0.1eV，求該處的電子濃度。例2：若該pn結(jié)的勢壘高度為0.7eV，求該處的空穴濃度。qV(x)=0.6eV小結(jié)6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶?6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)1.外加電壓下，pn結(jié)勢壘的變化正向偏壓時(+V)的勢壘變化反向偏壓時(-V)的勢壘變化6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)2.外加電壓對pn結(jié)附近載流子運動的影響——以正向偏壓為例a，載流子（少子）注入nn’p’p正向偏壓作用下，結(jié)區(qū)載流子的擴散運動和漂移運動將被打破：擴散運動加劇而漂移運動被抑制，擴散流大于漂移流，同時空間電荷區(qū)變小?？傮w效果相當于向結(jié)區(qū)右邊界（nn’）處注入空穴而向結(jié)區(qū)左邊界（pp’）處注入電子！b，載流子（少子）的擴散nn’p’pLp6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)2.外加電壓對pn結(jié)附近載流子運動的影響——以正向偏壓為例在結(jié)區(qū)右邊界（nn’）處聚集的空穴濃度大于n區(qū)內(nèi)部的空穴濃度，其勢必會將向n區(qū)內(nèi)部擴散，直至濃度與n區(qū)內(nèi)部空穴濃度相等，從而在nn’右側(cè)存在一段空穴的擴散區(qū)，該區(qū)長度為Lp；在pp’右側(cè)區(qū)域，電子為多子，空穴為少子，因此載流子的注入對電子濃度的影響很小，而對空穴的影響比較顯著。b，載流子（少子）的擴散nn’p’pLpLn6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)2.外加電壓對pn結(jié)附近載流子運動的影響——以正向偏壓為例在結(jié)區(qū)左邊界（pp’）處聚集的電子濃度大于p區(qū)內(nèi)部的電子濃度，其勢必會將向p區(qū)內(nèi)部擴散，直至濃度與p區(qū)內(nèi)部空穴濃度相等，從而在pp’左側(cè)存在一段電子的擴散區(qū)，該區(qū)長度為Ln；在nn’左側(cè)區(qū)域，電子為少子子，空穴為多子，因此載流子的注入對空穴濃度的影響很小，而對電子的影響比較顯著。6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)3.外加電壓對pn結(jié)附近費米能級的影響——以正向偏壓為例平衡狀態(tài)pn結(jié)能帶圖電子濃度小，EFn變化大空穴濃度高，EFp變化小電子濃度大，EFn變化小空穴濃度高，EFp變化大勢壘區(qū)變化忽略不計6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)3.外加電壓對pn結(jié)附近費米能級的影響——反向偏壓6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；符合以下假設(shè)條件的pn結(jié)稱為理想pn結(jié)模型：突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴散運動；通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用；玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布。6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程計算流過pn結(jié)電流密度的步驟：a:根據(jù)準費米能級計算勢壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；b:以邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度作邊界條件，解擴散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布；c:將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴散方程，算出擴散流密度后，再算出少數(shù)載流子的電流密度；d:將兩種載流子的擴散電流密度相加，得到理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式。6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程a:勢壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度(1)p區(qū)邊界pp'處6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程即p區(qū)邊界pp'處的少數(shù)載流子濃度a:勢壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度(1)p區(qū)邊界pp'處6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程a:勢壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度(1)p區(qū)邊界pp'處6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程a:勢壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度(1)

n區(qū)邊界nn'處6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程b:解擴散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布）

穩(wěn)定態(tài)時n區(qū)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程為：小注入時：很小，可忽略，n型擴散區(qū)通解為：6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程穩(wěn)定態(tài)時n區(qū)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的濃度：穩(wěn)定態(tài)時n區(qū)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的濃度：b:解擴散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布）外加正向偏壓時：

V恒定→勢壘區(qū)邊界處(x=xn和x=-xp)非平少數(shù)載流子濃度一定→系一穩(wěn)定邊界濃度的擴散→在擴散區(qū)，非平衡少數(shù)載流子按指數(shù)規(guī)律衰減。6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程b:解擴散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布）外加正向偏壓6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程外加反向偏壓即處則n區(qū):6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程外加反向偏壓p區(qū):即處則6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程外加反向偏壓非平衡少數(shù)載流子的分布6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程c:求擴散流密度在小注入條件下，擴散區(qū)中電場為零：(1)在x=xn處，空穴擴散電流密度(2)在x=-xp處，電子擴散電流密度6.2pn結(jié)的電流電壓特性6.2.2理想pn結(jié)模型的電流電壓方程d:理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式在假設(shè)前提下，勢壘區(qū)內(nèi)的復(fù)合-產(chǎn)生作用可以忽略，故通過界面