半导体器件第二章pn结第1节

1、 PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。第二章 PN 结 分析方法：将 PN 结分为三个区，在每个区中分别对基本半导体方程进行简化和求解。P区 NAN 区 ND PN结分类： 同质结（如硅）； 异质结（如硅和锗）；（M-S结） 同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗）。 异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N-锗）。PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结 PN结制备工艺简介图2-1 采用单晶硅材料制作pn结的主要工艺流程突变结与线性缓变结 图 2.2杂质扩散pn结的杂质分布示意图线性缓变结：在线性区 突变结： 教学要求 掌握下列名词，术语和基本概念： PN结、突变结、线性

2、缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR）的形成。 正确画出热平衡PN结的能带图。 导出空间电荷区内建电势差公式。 解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场，内建电势，内建电势差和耗尽层宽度。2-1 热平衡态PN结 本节主要介绍PN 结空间电荷区的形成， PN 结的内建电场、内建电势，及平衡时的PN 结空间电荷区宽度。平衡状态 - PN 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。1、空间电荷区的形成平衡少子：P区： N区： 利用 no po = ni2 的关

3、系，可得： 平衡多子：P区： N区： 可见：空穴扩散：P 区 N 区电子扩散：P 区 N 区扩散电流方向为：P 区 N 区P区N 区NA-，pp0ND+，nn0载流子扩散与漂流的角度理解PN结形成 扩散电流： P 区 N 区 漂移电流： P 区 N 区 P区留下 ，N区留下 ，形成空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为内建电场，方向为由N区指向P区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由N区指向P区。 达到平衡时，净电流 = 0 。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。内建电场空间电荷区P 区 N 区NA-ND+NA-pp0ND+nn0从能带的角度理解PN结的形成过程： 耗尽近似 - 认为空间

4、电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为 “耗尽区”。 中性近似 - 认为在耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为 “中性区”。2.1.2 PN结的电场分布与电势分布分析方法：在耗尽区求解一维泊松方程。 边界层-处于中性区与耗尽区之间过渡层，离化施主、离化受主和自由载流子的共存体 。远小于耗尽区（空间电荷区）的宽度，可完全忽略。 突变结 - P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在结面处（x = 0）发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为 单边突变结，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。

5、线性缓变结 - 冶金结面两侧的杂质浓度均随距离作线性变化，杂质浓度梯 a 为常数。 以突变结为例，推导在平衡时的内建电场、内建电势与耗尽区宽度。根据耗尽近似，在N区的耗尽区的泊松方程为：PN 上式也可写成：（ 因 ）积分一次，得：由边界条件： 可求得常数 C 为：于是可得： 同理可在P 区耗尽区中求解泊松方程得： 以上求得的(x)就是PN结的内建电场。 在x=0 处，(x)达到最大值：由上式可求出N区与P区的耗尽区宽度：总的耗尽区宽度：上式中， 称为约化浓度。 对内建电场作积分可得内建电势（也称为扩散电势） ：以及： 以上建立了3 个方程，但有4个未知量，即 、 、 和 。下面用另一种方法来求

6、 。并可进一步求出内建电势为：从上式可解出内建电场： 已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度方程可得： 由于 ， ，故得： 由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的Vbi 约为 0.75V ，锗的约为0.35V 。最后可得：对于 单边突变结，则以上各式可简化为： 对于 单边突变结，以上各式又可简化为： 可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧， 与 也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。3、突变PN 结的能带图 已知突变结耗尽区内的电场分布 后，对 作一次积分就可以求出耗尽区内的 电位分布 以及 电子的电位能分布 ，这也就是PN结的能带图。 再利用 “ 载流子浓度 载流子能量 ”的关系，就可进一步求出电子和空穴的浓度分布。 PN结能带图中的导带底 、价带顶 与本征费米能级 均与 有相同的形状，而平衡状态下的费米能级 则是水平的。由此可画出平衡PN结的能带图如下图所示。 由图可见，电子从N区到 P区必须