第六章pn结[课堂使用]

1、施洪龙 电话：68930256 半导体物理 地址：中央民族大学1#东配楼 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 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应 u pn结及其能带图 u pn结的电压电流特性 u pn结电容 u pn结击穿 第六章 pn 结 第六章 pn 结 n型半导体中载流子的浓度和运动特征 p型半导体中载流子的浓度和运动特征 p型半导体+n型半导体=？ pn结是晶体管、集成

2、电路的基础，了解和掌握pn结的形状具有很 重要的意义 第六章 pn 结 n型 把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结 合金法： 在n型单晶硅上放一粒金属铝(p)， 铝与硅合金化后在其界面上形成 pn结。 杂质分布特点： 施主杂质均匀地分布在n型区； 受主杂质均匀地分布在p型区； 界面上杂质浓度发生突变。 第六章 pn 结 n型 把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结 扩散法： 在n型单晶硅上通过氧化、光刻、 扩散等工艺制备pn结。 通常为线性缓变结 第六章 pn 结 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 pn结

3、空间电荷区： p型区的空穴浓度较高，n型区的电子浓度较高。当两者接触时，n 型区的电子向p区扩散，p型区的空穴向n区扩散。 n区的电子向p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p区的空穴向 n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。载流子的扩散与漂移最终达到动态平衡。 n e e e e p h h h h 扩散 扩散 - - - - + + + + 电离中心 浓度梯度形成的电场 内建电场 第六章 pn 结 空间电荷区： n e e e e p h h h h 扩散 扩散 - - - - +

4、 + + + 电离中心 浓度梯度形成的电场 内建电场 pn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，扩散了多少的载流子就有多少的电离中心参与形成内建电场。 第六章 pn 结 p型半导体 Ec Ev EA n型半导体 Ec Ev ED EFp EFn Ei 当两块半导体结合形成pn结时，电子将从高能级的n区向低能级的 p区流动；空穴从p区流向n区。 e 电子空穴的相对移动，使得EFn相对降低，而EFp相对抬高。当 Efn=Efp时达到动态平衡。 Ec Ev ED EFnEFp Ec

5、Ev EA Ei +qVD -qVD 第六章 pn 结 电子从高浓度到低浓度扩散，其(n区)电势能降低；对于p区电子的 电势能增大，即引起能带的整体上下移动。 Ec Ev ED EFnEFp Ec Ev EA Ei +qVD -qVD n e e e e p h h h h 扩散 扩散 - - - - + + + + 电离中心 浓度梯度形成的电场 内建电场 载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流 子电势能的改变量。 第六章 pn 结 流过pn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=电势能的改变 第六章 pn 结 准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯

6、 度引起)导致非平衡电流的产生。 平衡时，pn结内没有电流。 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 pn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n区向高势能的p区运动时，必须爬过高坡，即pn 结的势垒；空间电荷区又称势垒区。 第六章 pn 结 内建电场ED对应的电势能qVD为pn结的势垒高度。 内建电场由准费米能级差引起： 非简并态的载流子浓度为： 相除取对数 完全电离 内建电势差与pn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。 第六章 pn 结 要想求出载流子的分布(浓度)，应先计算出态密度

7、。 态密度 分布函数 第六章 pn 结 类似的空穴浓度为： pn结中电子的浓度为： 第六章 pn 结 如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，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n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。 第六章 pn 结 如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，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n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。 第六

8、章 pn 结 外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 E pn结加正向电压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结区，削弱内建电场(qVD-qV)； 内建电场(qVD-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，存在净扩散电流。 电子从n区扩散到p区，成为p区的非平衡载流子，它们在p区边扩 散边被空穴复合。在p区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区 域为扩散区。 在pn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。 第六章 pn 结 外加反向直流电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加反向电压V，增强内

9、建电场(qVD+qV)，增强了载流子的漂 移; E n区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p区，p区边界处扩散 过来的电子被驱赶回n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pn结的电流较小0. 第六章 pn 结 外加正向电压下，pn结的能带图 EFn EFp Ecp Evp Ecn Evn Lp Ln p 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： 空穴扩散区 电子扩散区 在空穴扩散区，电子浓度高，EFn较高(平直)，非平衡载流子对其影 响较小；空穴浓度小，影响

10、大； 靠近结区，空穴浓度增大，EFn和EFp逐渐发生劈裂； 到结区边界，空穴浓度最高，EF劈裂程度最大； E q(VD-V) 第六章 pn 结 外加反电压下，pn结的能带图 EFn EFp Ecp Evp Ecn Evn Lp Ln p 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EF的 劈裂： 空穴扩散区 电子扩散区 E q(VD+V) n EFnEFp p h e 第六章 pn 结 理想pn结模型 小注入：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：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； 不考虑耗尽层中载流子

11、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； 满足玻尔兹曼分布。 第六章 pn 结 理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤： 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； 由扩散方程算出少子的电流密度； 得到电流电压方程。 第六章 pn 结 理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤： 计算势垒边界的非平衡载流子浓度； p区的载流子浓度为： p区载流子浓度的乘积： 边界处 多子 p区平衡少子 复合 第六章 pn 结 理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤： 计算势垒边界的非平衡载流子浓度： P区非平衡少子数： n区非平衡少子为： pn结中非平衡少子是由外加正向电压引起电注入 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程： 扩散漂移 第六章 pn 结 理想pn结的电流电压方程 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分布： 稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程： 小注入电场影响甚小 通解 第六章 pn 结 理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤： 由扩