第六章pn结 半导体物理

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1、半导体物理半导体物理目录目录第一章 半导体中的电子状态第二章 半导体中的杂质和缺陷第三章 载流子的统计分布第四章 半导体的导电性第五章 非平衡载流子第六章 pn结第七章 金属和半导体的接触第八章 半导体异质节第九章第九章 半导体中的光电现象半导体中的光电现象第十章第十章 半导体中的热电形状半导体中的热电形状第十一章第十一章 半导体中的磁半导体中的磁-光效应光效应 pn结及其能带图 pn结的电压电流特性 pn结电容 pn结击穿 目录目录第六章第六章 pn pn 结结第六章第六章 pn pn 结结 引言引言n n型半导体中载流子的浓度和运动特征型半导体中载流子的浓度和运动特征p p型半导体中载流子

2、的浓度和运动特征型半导体中载流子的浓度和运动特征p p型半导体型半导体+n+n型半导体型半导体=？pnpn结是晶体管、集成电路的基础，了解和掌握结是晶体管、集成电路的基础，了解和掌握pnpn结的形状具有很重要的意义结的形状具有很重要的意义第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结的形成结的形成n n型型把把p p型和型和n n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pnpn结结合金法：合金法：在在n n型单晶硅上放一粒金属铝型单晶硅上放一粒金属铝(p)(p)，铝与硅合，铝与硅合金化后在其界面上形成金化后在其界面上形成pnpn结。结。杂质分布

3、特点：杂质分布特点：施主施主杂质杂质均匀均匀地分布在地分布在n n型区；型区；受主杂质受主杂质均匀均匀地分布在地分布在p p型区；型区；界面上杂质浓度发生突变。界面上杂质浓度发生突变。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结的形成结的形成n n型型把把p p型和型和n n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pnpn结结扩散法：扩散法：在在n n型单晶硅上通过氧化、光刻、扩散等工艺型单晶硅上通过氧化、光刻、扩散等工艺制备制备pnpn结。结。通常为线性缓变结通常为线性缓变结第六章第六章 pn pn 结结 空间电荷区空间电荷区线性缓变结：低

4、表面浓度的深扩散。线性缓变结：低表面浓度的深扩散。突变结：合金结合和高表面浓度的浅扩散突变结：合金结合和高表面浓度的浅扩散pnpn结结空间电荷区：空间电荷区：p p型区的空穴浓度较高，型区的空穴浓度较高，n n型区的电子浓度较高。当两者接触时，型区的电子浓度较高。当两者接触时，n n型区的电子向型区的电子向p p区扩散，区扩散，p p型区的空穴向型区的空穴向n n区扩散。区扩散。n n区的电子向区的电子向p p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p p区的空穴向区的空穴向n n区扩散，受主杂质被电区扩散，受主杂质被电离成负电中心。随着扩散的进行，电离中心浓度逐渐

5、增大。离成负电中心。随着扩散的进行，电离中心浓度逐渐增大。电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子做漂移运动。载流子的电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子做漂移运动。载流子的扩散与漂移最终达到动态平衡。扩散与漂移最终达到动态平衡。n ne ee ee ee ep ph hh hh hh h扩散扩散扩散扩散-+电离中心电离中心浓度梯度形成的电场浓度梯度形成的电场内建电场内建电场第六章第六章 pn pn 结结 空间电荷区空间电荷区空间电荷区：空间电荷区：n ne ee ee ee ep ph hh hh hh h扩散扩散扩散扩散-+电离中心电离中心浓度梯度形

6、成的电场浓度梯度形成的电场内建电场内建电场pnpn结形成时因电荷的扩散，使施主和受结形成时因电荷的扩散，使施主和受主杂质被电离，形成空间电荷，该区域主杂质被电离，形成空间电荷，该区域称为空间电荷区。称为空间电荷区。随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。此时，扩散了多少的载随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。此时，扩散了多少的载流子就有多少的电离中心参与形成内建电场。流子就有多少的电离中心参与形成内建电场。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结能带图结能带图p p型半导体型半导体E Ec cE Ev vE EA An n型半导体型半导体E Ec c

7、E Ev vE ED DE EFpFpE EFnFnE Ei i当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成pnpn结时，电子将从高能级的结时，电子将从高能级的n n区向低能级的区向低能级的p p区流动；空穴从区流动；空穴从p p区流区流向向n n区。区。e e电子空穴的相对移动，使得电子空穴的相对移动，使得E EFnFn相对降低，而相对降低，而E EFpFp相对抬高。当相对抬高。当E Efnfn=E=Efpfp时达到动态平衡。时达到动态平衡。E Ec cE Ev vE ED DE EFnFnE EFpFpE Ec cE Ev vE EA AE Ei i+qV+qVD D-qV-qVD D第六章第

8、六章 pn pn 结结 pn pn结能带图结能带图电子从高浓度到低浓度扩散，其电子从高浓度到低浓度扩散，其(n(n区区)电势能降低；对于电势能降低；对于p p区电子的电势能增大，即引起能区电子的电势能增大，即引起能带的整体上下移动。带的整体上下移动。E Ec cE Ev vE ED DE EFnFnE EFpFpE Ec cE Ev vE EA AE Ei i+qV+qVD D-qV-qVD Dn ne ee ee ee ep ph hh hh hh h扩散扩散扩散扩散-+电离中心电离中心浓度梯度形成的电场浓度梯度形成的电场内建电场内建电场载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是

9、载流子电势能的改变量。载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流子电势能的改变量。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结能带图结能带图流过流过pnpn结的总电流密度为漂移电流和扩散电流密度之和：结的总电流密度为漂移电流和扩散电流密度之和：费米能级的改变费米能级的改变=电势能的改变电势能的改变第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结能带图结能带图准费密能级间的差异或梯度准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯度引起又载流子浓度梯度引起)导致非导致非平衡电流的产生。平衡电流的产生。平衡时，平衡时，pnpn结内没有电流。结内没有电流。当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费

10、米面的位置变化小当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费米面的位置变化小pnpn结在空间电荷区能带发生弯曲，这是内建电场引起的。结在空间电荷区能带发生弯曲，这是内建电场引起的。电子从低势能的电子从低势能的n n区向高势能的区向高势能的p p区运动时，必须爬过高坡，即区运动时，必须爬过高坡，即pnpn结的势垒；空间电荷区又结的势垒；空间电荷区又称称势垒区势垒区。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结接触电势差结接触电势差内建电场内建电场E ED D对应的电势能对应的电势能qVqVD D为为pnpn结的势垒高度。结的势垒高度。内建电场由准费米能级差引起：内建电场由准费米能级差引起：非简并态的

11、载流子浓度为：非简并态的载流子浓度为：相除取对数相除取对数完全电离完全电离内内建电势差与建电势差与pnpn结两端的杂质浓度、温度和禁带宽度有关。在一定温度下，两端杂质浓度结两端的杂质浓度、温度和禁带宽度有关。在一定温度下，两端杂质浓度差越大，禁带越宽，接触电势差越大。差越大，禁带越宽，接触电势差越大。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结的载流子分布结的载流子分布要想求出载流子的分布要想求出载流子的分布(浓度浓度)，应先计算出态密度。，应先计算出态密度。态密度态密度分布函数分布函数第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结的载流子分布结的载流子分布类似的空穴浓度为：类似的空穴浓度为：p

12、npn结中电子的浓度为：结中电子的浓度为：第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结的载流子分布结的载流子分布如果势垒区内的电势能比如果势垒区内的电势能比n n区的导带底高区的导带底高0.1eV0.1eV处的电子浓度为：处的电子浓度为：假设势垒高度为假设势垒高度为0.7eV0.7eV，则此处空穴浓度为：，则此处空穴浓度为：在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起n n和和p p区的区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽层耗尽层。第六章第六章 pn pn 结

13、结 pn pn结的载流子分布结的载流子分布如果势垒区内的电势能比如果势垒区内的电势能比n n区的导带底高区的导带底高0.1eV0.1eV处的电子浓度为：处的电子浓度为：假设势垒高度为假设势垒高度为0.7eV0.7eV，则此处空穴浓度为：，则此处空穴浓度为：在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起n n和和p p区的区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽层耗尽层。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性外加正向电压下，外加正向电压下，pn

14、pn结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动E Epnpn结加结加正向电压正向电压V V，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小，正向偏压几乎都降落在，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小，正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场结区，削弱内建电场(qV(qVD D-qV)-qV)；内建电场内建电场(qV(qVD D-qV)-qV)减弱，打破了载流子扩散与漂移的平衡态，使扩散流起主导，存在净扩减弱，打破了载流子扩散与漂移的平衡态，使扩散流起主导，存在净扩散电流。散电流。电子从电子从n n区扩散到区扩散到p p区，成为区，成为p p区的非平衡载流子，它们在区的非平衡载流子，它们在p

15、p区边扩散边被空穴复合。在区边扩散边被空穴复合。在p p区区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区域为扩散区。经过一定距离的扩散后被全部复合，该区域为扩散区。在在pnpn结两端外加正向偏压，使非平衡载流子注入半导体中，结两端外加正向偏压，使非平衡载流子注入半导体中，称为非平衡载流子的电注入。称为非平衡载流子的电注入。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性外加反向直流电压下，外加反向直流电压下，pnpn结势垒的变化及载流子的运动结势垒的变化及载流子的运动pnpn结加结加反反向电压向电压V V，增强内建电场，增强内建电场(qV(qVD D+qV)+qV)，增强了载流子的漂移，

16、增强了载流子的漂移;E En n区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p p区，区，p p区边界处扩散过来的电子被驱赶回区边界处扩散过来的电子被驱赶回n n区；区；结区内的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的扩散流，即少子的不断结区内的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的扩散流，即少子的不断抽取或吸取。抽取或吸取。在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度趋于零，此时在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度趋于零，此时pnpn结的电流较小结的电流较小0.0.第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性外加正向电压下，外加

17、正向电压下，pnpn结的能带图结的能带图E EFnFnE EFpFpE EcpcpE EvpvpE EcncnE EvnvnLpLpLnLnp pn n在正向偏压下有非平衡载流子注入半导体中，使费米能级发生劈裂：在正向偏压下有非平衡载流子注入半导体中，使费米能级发生劈裂：空穴扩散区空穴扩散区电子扩散区电子扩散区在空穴扩散区，电子浓度高，在空穴扩散区，电子浓度高，E EFnFn较高较高(平直平直)，非平衡载流子对其影响较小；空穴浓度小，非平衡载流子对其影响较小；空穴浓度小，影响大；影响大；靠近结区，空穴浓度增大，靠近结区，空穴浓度增大，E EFnFn和和E EFpFp逐渐发生劈逐渐发生劈裂；裂；

18、到结区边界，空穴浓度最高，到结区边界，空穴浓度最高，E EF F劈裂程度最大；劈裂程度最大；E Eq(Vq(VD D-V)-V)第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性外加反电压下，外加反电压下，pnpn结的能带图结的能带图E EFnFnE EFpFpE EcpcpE EvpvpE EcncnE EvnvnLpLpLnLnp pn n在反向偏压下，内建电场增强，载流子的漂移电流增大，出现在反向偏压下，内建电场增强，载流子的漂移电流增大，出现E EF F的劈裂：的劈裂：空穴扩散区空穴扩散区电子扩散区电子扩散区E Eq(Vq(VD D+V)+V)n nE EFnFnE EFp

19、Fpp ph he e第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结模型结模型小注入小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多；：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多；突变耗尽层突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离中心的电荷组成，：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性；耗尽层外的半导体呈电中性；不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用，即通过耗尽层的电子和空穴的不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用，即通过耗尽层的电子和空穴的电流是常数电流是常数；满足玻尔兹曼分布。满足玻尔兹曼

20、分布。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步骤：计算的基本步骤：计算势垒边界的非平衡载流子浓度；计算势垒边界的非平衡载流子浓度；由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布；由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布；由扩散方程算出少子的电流密度；由扩散方程算出少子的电流密度；得到电流电压方程。得到电流电压方程。第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步骤：计算的基本步骤：计算势垒边界的非平衡载流子浓度；计算势垒边界的非平衡载

21、流子浓度；p p区的载流子浓度为：区的载流子浓度为：p p区载流子浓度的乘积：区载流子浓度的乘积：边界处边界处多子多子p p区平衡少子区平衡少子复合复合第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步骤：计算的基本步骤：计算势垒边界的非平衡载流子浓度：计算势垒边界的非平衡载流子浓度：P P区非平衡少子数：区非平衡少子数：n n区非平衡少子为：区非平衡少子为：pnpn结中非平衡少子是由外加正向电压引起结中非平衡少子是由外加正向电压引起电注入电注入 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡

22、载流子的分布：分布：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：扩散扩散漂移漂移第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步骤：计算的基本步骤：由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：分布：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：小注入小注入电场影响甚小电场影响甚小通解通解第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步

23、骤：计算的基本步骤：由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：分布：通解通解边界条件：边界条件：x x无穷无穷x=xx=xn n非平衡少子分布非平衡少子分布在外加电压下，在外加电压下，pnpn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布结中的非平衡载流子在扩散区中的分布第六章第六章 pn pn 结结 pn pn结电压特性结电压特性理想理想pnpn结的电流电压方程结的电流电压方程计算的基本步骤：计算的基本步骤：由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：分布：通解通解边界条件：边界条件：x x无穷无穷x=xx=xn n非平衡少子分布非平衡少子分布在外加电压下，在外加电压下，pnpn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布结中的非平衡载流子在扩散区中的分布