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(gè)半導(dǎo)體器件都包含一

個(gè)或幾個(gè)“結(jié)”，器件的特性與某個(gè)“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(kuò)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(kuò)散過(guò)程及雜質(zhì)補(bǔ)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(duì)于擴(kuò)散結(jié)，如果雜質(zhì)分布可以用處的切線來(lái)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(huì)產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)！結(jié)區(qū)兩側(cè)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)對(duì)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)會(huì)否持續(xù)進(jìn)行下去直至兩側(cè)的多子和少子濃

度達(dá)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(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)多子運(yùn)動(dòng)的影響？?jī)?nèi)建電場(chǎng)對(duì)少子運(yùn)動(dòng)的影響？促進(jìn)少子漂移運(yùn)動(dòng)阻礙多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，內(nèi)建電場(chǎng)也將擴(kuò)展增強(qiáng)，繼而少子的漂移運(yùn)動(dòng)也將增強(qiáng)！——最終二者的運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，結(jié)區(qū)無(wú)電流，呈平衡態(tài)！n區(qū)，有多少電子擴(kuò)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(kuò)散形成內(nèi)建電場(chǎng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)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(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)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(shì)壘的大?。?.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(shì)壘的大小即為載流子（電子、空穴）跨越內(nèi)建電場(chǎng)所需克服的電勢(shì)能qVD！勢(shì)壘產(chǎn)生的根本原因：內(nèi)建電場(chǎng)的存在。根據(jù)費(fèi)米能級(jí)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(jì)算一維下，電子總電流為密度為①②聯(lián)立①②則有或平衡時(shí)6.1pn結(jié)及其能帶——pn結(jié)的形成及能帶6.1.4接觸電勢(shì)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(shì)差結(jié)論：接觸電勢(shì)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(shì)差與摻雜濃度正向相關(guān)；一定溫度下，接觸電勢(shì)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(shì)能高勢(shì)壘區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的電勢(shì)能為，該處比n區(qū)電勢(shì)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(shì)壘區(qū)內(nèi)雜質(zhì)基本已電離，但載流子濃度遠(yuǎn)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(shì)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(shì)壘區(qū)某處的電勢(shì)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(shì)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(shì)壘的變化正向偏壓時(shí)(+V)的勢(shì)壘變化反向偏壓時(shí)(-V)的勢(shì)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(duì)pn結(jié)附近載流子運(yùn)動(dòng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)將被打破：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇而漂移運(yùn)動(dòng)被抑制，擴(kuò)散流大于漂移流，同時(shí)空間電荷區(qū)變小?？傮w效果相當(dāng)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(kuò)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(duì)pn結(jié)附近載流子運(yùn)動(dòng)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(shì)必會(huì)將向n區(qū)內(nèi)部擴(kuò)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(kuò)散區(qū)，該區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)p；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(duì)電子濃度的影響很小，而對(duì)空穴的影響比較顯著。b，載流子（少子）的擴(kuò)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(duì)pn結(jié)附近載流子運(yùn)動(dòng)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(shì)必會(huì)將向p區(qū)內(nèi)部擴(kuò)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(kuò)散區(qū)，該區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)n；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(duì)空穴濃度的影響很小，而對(duì)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(duì)pn結(jié)附近費(fèi)米能級(jí)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(shì)壘區(qū)變化忽略不計(jì)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(duì)pn結(jié)附近費(fèi)米能級(jí)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(shì)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)；通過(guò)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(jì)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(jì)算流過(guò)pn結(jié)電流密度的步驟：a:根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算勢(shì)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(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴(kuò)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(kuò)散方程，算出擴(kuò)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(kuò)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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)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(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布）

穩(wěn)定態(tài)時(shí)n區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程為：小注入時(shí)：很小，可忽略，n型擴(kuò)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(shí)n區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的濃度：穩(wěn)定態(tài)時(shí)n區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的濃度：b:解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布）外加正向偏壓時(shí)：

V恒定→勢(shì)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(kuò)散→在擴(kuò)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(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式(求擴(kuò)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(kuò)散流密度在小注入條件下，擴(kuò)散區(qū)中電場(chǎng)為零：(1)在x=xn處，空穴擴(kuò)散電流密度(2)在x=-xp處，電子擴(kuò)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(shì)壘區(qū)內(nèi)的復(fù)合-產(chǎn)生作用可以忽略，故通過(guò)界面