内容微电子器件2

1、1、PN结 的基本结构第一章 PN 结1-0 引言制备pn结二极管的主要工艺步骤npnpn通过平面扩散或离子注入在某种掺杂（如n型）单晶基片上扩散另一种类型杂质（如p型）从而形成pn结。P型区与n型区的交界面（线）称为冶金结（metallurgical junction），该处的特征是：ND-NA=0杂质的两种理想分布形式突变结（离子注入或轻掺杂扩散工艺） 线性缓变结（中等掺杂到重掺杂扩散工艺）说明：突变结和线性缓变结只是两种理想化的形式，在实际应用中还有一种超突变结（可参见Donard A. Neamen半导体物理与器件p185)。 突变结 - P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金

2、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。 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，杂质浓度梯度 a 为常数。2. PN结在现代电子学的作用 PN结是重要的电子器件 PN结是构成多种半导体器件的基本单元3. PN结二极管应用与电压电流特性曲线的关系 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。 1-1 PN 结的平衡状态半导体中载流子输运的基本机制有哪些？扩散运动：由载流子浓度梯度引起的载流子运动漂移运动：由电场引起的载流子运动复合产生P型半导体N型半导

3、体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。1、空间电荷区的形成漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。1、空间电荷区中没有自由载流子（电子或空穴）：在结面附近的p型区中，只剩下带负电的电离受主（NA-)成为空间电荷，在n型区只剩下带正电的电离施主(ND+）成为空间电荷，且正负电离杂质的电荷量相等。2、由于正负电离杂质的相对分布，空间电荷区存在电场（内建电场），方向从N区指向P区。

4、空间电荷区的特征:空间电荷区形成 内建电场内建电场阻止 多子扩散载流子浓度差 内建电场促使 少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动 由杂质离子形成 空间电荷区 空间电荷区的形成 耗尽近似 - 认为空间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 “(准）中性区”。2、内建电场（内建电势）与耗尽区宽度 耗尽区的含义：（1）在冶金结附近区域，与净杂质浓度相比，载流子浓度可近似忽略不计；（2）在耗尽区以外的自由载流子密度则处处为

5、零当采用该近似后，possion方程变为(a) 耗尽近似的示意图，(b) 耗尽近似应用在突变结上的实例图 以下推导突变结在平衡时的内建电场、内建电势与耗尽区宽度。在N区的耗尽区中，根据耗尽近似，泊松方程成为：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 E ( x ) 就是PN 结的 内建电场。在 x = 0 处，E ( x ) 达到最大值：由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度：及 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

6、3 个方程，但有 4 个未知量，即 、 、 和 。下面用另一种方法来求 。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（平衡状态时多子电流密度为零） ，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 0.8V ，锗的约为 0.35V 。最后可得：课堂练习题计算pn结中的空间电荷区宽度xn，xp，xd及|Emax|硅pn结处的环境温度为T=300K，掺杂浓度为Na11016cm-3，Nd=11015cm-3。Ni=1.51010cm-3

7、,=11.7。答案：Xn0.864m， Xp0.086m， Xd0.950m,|Emax|=1.34104V/cm说明：p区和n区内的空间电荷区的宽度分别与其所在区域内的掺杂浓度呈倒数关系，即耗尽区主要扩展在低掺杂区域。 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： 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。结论：请同学们利用分析突变结空间电荷区的方法推导线性缓变结的空间电荷区参数 线性缓变结 在线性缓变结中，杂质分布为 ND - NA = ax ， 耗尽近似下的泊松方程为 边界条件为 积分并应用边界条件后得电场分布为 内建电势 V

8、bi 为 将上面关于 与 的两个方程联立，可解得 上式中，3、平衡时PN 结的能带图平衡态下的系统中，费米能级具有什么特点？在一个处于平衡态的系统中，费米能级的能量是恒定的。（a) 假设的突变结杂质分布和远离冶金结的半导体区域的能带图(b) 修改(a)中图形以满足费米能级保持恒定的条件（c）完整的能带图定性分析定量分析 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 。 N区P区 由图可见，电子从N 区到 P区必须克服一个高度为 qVbi 的势垒，空穴从P区到 N 区也须克服一个同样的势垒，所以耗尽区也被称为 “势垒区” 。PN结能带图中

9、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结的能带图如右图所示。 下面求载流子的浓度在空间电荷区分布。平衡载流子浓度可表为： 由右图， 可表为：代入载流子浓度表达式中，得：N区P区本征费米能级的变化与电子位能的变化相同 从而得：平衡时势垒区中的载流子浓度乘积为 在 处： 在 处： 上面得到的： 这两个表达式在下一节推导载流子浓度的边界条件时要用到。推广到有外加电压v的情形以上所有关于平衡 PN 结的各个公式 ，都可以推广到有外加电压时的情形。 如果假设外加电压全部降落在耗尽区上， 则 只需将各公式中的 Vbi 用（Vbi V

10、） 代替即可 。注意：1、外加电压的参考方向与 Vbi 相反 ，且VVbi，2、当V趋近Vbi时，会出现大电流情况，就不能忽略准中性区域上的压降课堂练习题2、计算施加反偏电压时，pn结中的空间电荷区宽度硅pn结处的环境温度为T=300K，掺杂浓度为Na11016cm-3，Nd=11015cm-3。Ni=1.51010cm-3,=11.7，反偏电压V=5V。1、写出有外加偏压时，突变PN结的空间电荷区宽度、最大电场以及载流子浓度乘积公式第二题答案： Xd2.83m说明：在5V的反偏电压作用下，空间电荷区宽度变大。 5、耗尽近似的适用性 以上在求解泊松方程时采用了耗尽近似和中性近似。实际上载流子在所谓的耗尽区内并未严格耗尽，这从n(x) 和 p(x) 的表达式也可看出来。载流子浓度在耗尽区和中性区的边界附近也是逐渐过的，在中性区中靠近耗尽区的地方 ，载流子浓度已开始减少。然而严格的计算表明，精确结果与采用耗尽近似所得到的结果是相当接近的，采用耗尽近似不致引入太大的误差，但却可使计算大为简化。所以耗尽近似在分析半导体器件时得到了广泛的应用 。 本小节的其余内容请同学们自学 。 本节小结在冶金结两边的p区和n区内分别形成了空间电荷区（耗尽区）