第一章 半导体物理基础 (二)

1、11.2.5半导体的结半导体的结 2 P 区区 NAN 区区 ND半导体的结半导体的结-PN 结结PN PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。结是构成各种半导体器件的基本单元。PNPN结中的载流子既有结中的载流子既有漂移运动漂移运动，又有，又有扩散运动扩散运动； 既有既有产生产生，又有，又有复合复合，这些性质集中反映在半导，这些性质集中反映在半导体体 的导电特性中。的导电特性中。3PN结1 1、PN PN 结的形成结的形成 在在同一块同一块N型（或型（或P型）半导体单晶上，用特定型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把的工艺方法把P型（或型（或N型）杂质掺入其中，使这块型）杂质掺入其中，使这块单

2、晶相连的二个不同区域分别具有单晶相连的二个不同区域分别具有N型区和型区和P型区的型区的导电类型，在二者导电类型，在二者交界面交界面以及交界面两侧的以及交界面两侧的过渡区过渡区即称为即称为PN结。结。 4PN PN 结类型结类型 按材料分为按材料分为同质结，同质结，和和异质结异质结 按导电类型分为按导电类型分为同型结同型结和和异型结异型结 按杂质的分布分为按杂质的分布分为突变结突变结和和线性缓变结线性缓变结 5工艺方法工艺方法合金法合金法扩散法扩散法生长法生长法离子注入法离子注入法光刻工艺光刻工艺(硅平面工艺）硅平面工艺）2 、 PN结的形成过程结的形成过程6合金法制造合金法制造PN结过程结过程

3、熔融熔融P-SiAlN-Si 在一块在一块N型硅片上放置一型硅片上放置一铝箔铝箔，铝箔上加一，铝箔上加一石墨压块石墨压块，并置于并置于600以上的以上的烧结炉烧结炉中恒温处理中恒温处理5分钟，然后缓慢降温分钟，然后缓慢降温经这样的处理后的硅片的上表面就形成可很薄的一层经这样的处理后的硅片的上表面就形成可很薄的一层P型再结型再结晶层，晶层，PN结形成了。结形成了。 突变结突变结P P区与区与N N区的交界面处的杂质浓度分布是突变的，区的交界面处的杂质浓度分布是突变的，此法称为合金结，又称突变结。此法称为合金结，又称突变结。7P区区N区区x杂质浓度杂质浓度xjNANDP区与区与N区的杂质浓度都是分

4、布均匀的区的杂质浓度都是分布均匀的N型区施主杂质浓度为型区施主杂质浓度为NDP型区受主杂质浓度为型区受主杂质浓度为NA在交界面处在交界面处x = 0，杂质浓度由，杂质浓度由P型突变为型突变为N型型突变结突变结8单边突变结：单边突变结：当一侧的浓度远大于另一侧时当一侧的浓度远大于另一侧时lN P结结： ND NA N0 NAlP N结结： NA ND N0 ND突变结突变结ADNNDNANx09P-SiN-Si扩散法制造扩散法制造PNPN结过程结过程缓变结缓变结NPx杂质浓度xjND -NA 在一块在一块N型硅片型硅片上用化学方法涂敷一层含有上用化学方法涂敷一层含有Al2O3的乙醇的乙醇溶液溶液

5、，在红外线灯下干燥后，置于，在红外线灯下干燥后，置于1250的的扩散炉扩散炉中进行高中进行高温处理若干小时，然后缓慢降温。温处理若干小时，然后缓慢降温。PN结两边的杂质浓度是非均匀的结两边的杂质浓度是非均匀的常按照一定的函数规律而变化。常按照一定的函数规律而变化。DAjjNNa x x10 实际实际PNPN结近似结近似缓变缓变PNPN结附近杂质浓结附近杂质浓度有两种近似处理方度有两种近似处理方法法A A、线性缓变结近似、线性缓变结近似B B、突变结近似、突变结近似NPx杂质浓度xjND -NA112.1.1 PN2.1.1 PN结空间电荷区结空间电荷区2.1.2 2.1.2 电场分布于电势分布

6、电场分布于电势分布2.1 热平衡热平衡PN 结结12平衡平衡PNPN结：结：指半导体在零偏压条件下的指半导体在零偏压条件下的PNPN结。结。 PN PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加结内温度均匀、稳定，不存在外加 电压、光照、磁场、辐射等外作用平衡电压、光照、磁场、辐射等外作用平衡 状态。状态。2.1.1 PN结空间电荷区结空间电荷区13平衡平衡PNPN结能带图结能带图 平衡平衡PNPN结有统一的费密能级结有统一的费密能级E EF F14空间电荷：空间电荷：带正电的电离施主和带负电荷的电离带正电的电离施主和带负电荷的电离 受主都是固定在晶格点上不可移动，受主都是固定在晶格点上不可移动， 称之

7、为空间电荷。称之为空间电荷。空间电荷区：空间电荷区：空间电荷所在的区域。空间电荷所在的区域。 空间电荷区的形成空间电荷区的形成空间电荷不能移动，也不能传导电流。空间电荷不能移动，也不能传导电流。15内建电场内建电场E内内：空间电荷所产生的电场，空间电荷所产生的电场，此电场不是由外部因素引起的，而是由此电场不是由外部因素引起的，而是由PNPN结内部结内部 载流子运动形成的，由载流子运动形成的，由N N区指向区指向P P区。区。PN结的内建电势结的内建电势(接触电势接触电势)由内建电场所导致的由内建电场所导致的N N区和区和P P区的电位差。区的电位差。一、空间电荷区的形成一、空间电荷区的形成01

8、6l : 接触电势差接触电势差 （内建电势）（内建电势）l空间电荷区空间电荷区又称又称l势垒区势垒区l耗尽层耗尽层平衡平衡PNPN结能带图结能带图2.1.1 平衡平衡PN结能带图结能带图0P PN N空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场P PN Nxpxn位位电电q电子的电势能电子的电势能带带能能qVDECEVEFEi带带能能ECEVEFNEiEFP00171 1、中性区：远离空间电荷区、中性区：远离空间电荷区P P型和型和N N型区型区多子浓度等于电离杂质多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域称为浓度，因而保持电中性。这时这部分区域称为 “ “中性区中性区”。2 2、边界层

9、：边界层：既存在失去电子的空穴的杂质电离中心，又存在一既存在失去电子的空穴的杂质电离中心，又存在一些自由载流子，电荷分布很复杂，可以推得边界层的宽度远小于些自由载流子，电荷分布很复杂，可以推得边界层的宽度远小于空间电荷区的宽度，通常空间电荷区的宽度，通常可以忽略可以忽略3 3、耗尽区：耗尽区：在空间电荷区，杂质电离中心浓度较大，远大于自在空间电荷区，杂质电离中心浓度较大，远大于自由载流子浓度，相当于载流子浓度被耗尽，所以该区域称为耗尽由载流子浓度，相当于载流子浓度被耗尽，所以该区域称为耗尽区或者耗尽层。区或者耗尽层。PNPN结分为三部分：结分为三部分：2.1.22.1.2电场分布与电势分布电场

10、分布与电势分布18一个平衡一个平衡PNPN结中，空间电荷区以外的区域都是电中性的。结中，空间电荷区以外的区域都是电中性的。P区一侧的中性区称为区一侧的中性区称为P型中性区；型中性区；N区一侧的中性区称为区一侧的中性区称为N型中性区。型中性区。NP空间电荷区XM1902lnADiN NkTqnNA：P区受主掺杂浓度区受主掺杂浓度 ND：N区施主掺杂浓度区施主掺杂浓度ni ：本征载流子浓度：本征载流子浓度 0.026 300kTVTKq扩散电势差扩散电势差PNPN结的势垒高度与两边的掺杂浓度有关。结的势垒高度与两边的掺杂浓度有关。掺杂浓度越高，势垒高度越大。掺杂浓度越高，势垒高度越大。从能带图可以

11、看出：从能带图可以看出：N区掺杂浓度越高，区掺杂浓度越高，N型区费米能级型区费米能级(EF)n越靠近导带底越靠近导带底P区掺杂浓度越高，区掺杂浓度越高，P型区费米能级型区费米能级(EF)p越靠近价带顶越靠近价带顶PN结势垒高度结势垒高度qVD也越大。也越大。0202 2、耗尽区、耗尽区 ：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为。P PN N空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场P PN Nxpxn位位电电q电子的电势能电子的电势能带带能能qVDECEVEFEi带带能能ECEVEFNEiEFP0021 设设P P型和型和N N型侧的耗尽层

12、宽度分别为型侧的耗尽层宽度分别为x xp p和和x xn n, ,整个空间电荷层宽度表示为整个空间电荷层宽度表示为W=x W=x n n +x +x p p 耗尽层宽度与扩散电势差有关，具体的计耗尽层宽度与扩散电势差有关，具体的计算分情况讨论（了解）算分情况讨论（了解） 空间电荷区的自建电场强度是非均匀电场，空间电荷区的自建电场强度是非均匀电场，电场强度是电场强度是x x的函数的函数对于P+N突变结222.2 2.2 加偏压的加偏压的PNPN结结2.2.1 PN结的单向导电性结的单向导电性2.2.2 少数载流子的注入与输运少数载流子的注入与输运23非平衡非平衡PN结结l处于一定偏置状态下的处于

13、一定偏置状态下的PN结称为结称为非平衡非平衡PN结结l当当PN结两端加正向偏结两端加正向偏压压VF，即，即P区接电源的区接电源的正极，正极，N区接电源的负区接电源的负极，称为极，称为正向正向PN结结。PN 正向正向PNPN结结PN 反向反向PNPN结结反之，当反之，当PN结两端加反结两端加反向偏压向偏压VR则称则称反向反向PN结结。2.2.1 PN2.2.1 PN结的单向导电性结的单向导电性24正向电压正向电压VF 外加电场与内建电场方向相反外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱空间电荷区中的电场减弱 势垒区宽度变窄势垒区宽度变窄 势垒高度变低势垒高度变低 qVD q(VDVF) 破坏扩散与漂移运动间的平衡破坏扩散与漂移运动间的平衡 扩散运动扩散运动 强于强于 漂移运动漂移运动 形成形成较大的电流较大的电流， 正向偏压给正向偏压给PN结形成了结形成了低阻的低阻的电流通路电流通路0025 PN结的反向特性结的反向特性反向反向PN结结 P P区接负，区接负，N N区接正区接正外加电场与内建电场方向相同外加电场与内建电场方向相同空间电荷区中的电场增强空间电荷区中的电场增强 反向电压使：反向电压使： 势垒区宽度变宽势垒区宽度变宽 势垒高度变高势垒高度变高qVqVDDq(Vq(VDD+V+VR R) )