合工大5第二章21平衡PN结

第二章PN结如果将P型半导体和N型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了PN结。PN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶体管、结型场效应晶体管等，都是由PN结构成的。PN结的性质集中反映了半导体的导电性能的特点。前言AninterfacelyingbetweenaP-typeregionandanN-typeregioninasemiconductorsinglecrystalistermedaPNjunction.1、分析PN结形成的物理过程和PN结的物理特性2、电流－电压特性3、击穿特性4、电容效应5、开关特性等PN结的主要讲解内容：封装好的集成电路硅单晶片与加工好的硅片PhysicsofSemiconductorDevices热平衡PN结半导体器件物理§2.1PN结的制备工艺PN结的形成机理接触电势空间电荷区的电场与宽度平衡PN结的载流子分布Outline—制造业—芯片制造过程

一制备方法与工艺过程P型半导体和N型半导体单独存在时，在P型半导体一边，空穴是多数载流子，电子是少数载流子；在N型半导体一边，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在一片纯净的半导体样品上，通过控制施主浓度和受主浓度的方法可以使得样品一边成为施主占优势的N型半导体，另一边称为受主占优势的P型半导体。P型区和N型区之间的冶金学边界称为PN结PN结1、合金法把一小颗铟球（In）放在N型锗单晶片上，加热到一定温度，形成铟锗共熔体，然后降低温度，在降温的过程中，锗便从共熔体中析出，沿着锗片的晶向再结晶。在再结晶的锗区中，将含有大量的P型杂质铟，使得该区变成P区，从而形成PN结。杂质分布N区中施主杂质浓度为ND，而且均匀分布；P区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布。在交界处，杂质浓度由NA（P型）突变为ND（N型），具有这种杂质分布的PN结称为突变结。突变结两边的杂质浓度相差很多，通常把这种结称为单边突变结。对于单边突变结。如果NA>>ND，记为：P＋N结；如果ND

>>NA，记为：PN＋结。2、扩散法在N型或P型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结，其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种PN结中，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。PN结的结深杂质分布称为杂质浓度梯度，它决定于扩散杂质的实际分布。对于高表面浓度的浅扩散结，其斜率很大，这时扩散结可用突变结来近似，如图c。在扩散结中，若杂质分布可用x=Xj处的切线近似表示，则称为线性缓变结。其杂质分布可表示为：3、离子注入法在掩模板窗口附近的横向分布为余误差分布，纵向近似为高斯分布。小结1、制造工艺不同，杂质分布不同。2、通常将PN结的杂质分布分为突变结和缓变结。合金法和表面浓度高的浅扩散结可认为是突变结，而表面浓度低的深扩散结，可认为是线性缓变结。工艺过程硅基PN结制作工艺过程在N型或P型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结，其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种PN结中，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。分析一当P型材料和N型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等，否则就有电流通过－(?)。恒定费米能级的条件是电子从N型半导体一边转移至P型半导体一边，空穴则沿相反方向转移。一维电场－－电势相应的准费米势思考题：费米能级在热平衡时必定恒等，否则就有电流通过半导体的热电势？当这两部分半导体靠得很近，甚至相互接触时，由于交界面存在着电子和空穴得浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样，对于P区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主这些电离受主在PN结的P区侧形成了一个负电荷区；同样的，在N区由出现了由电离施主构成的正电荷区，这个交界区域就是PN结。通常把PN结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷，它们所在的区域称为空间电荷区。分析二由于电场的存在使得电子和空穴产生漂移运动，与它们的扩散运动正好相反，当电场强到使载流子的漂移运动和扩散运动相抵消时（大小相等、方向相反），此时的PN结达到了平衡态，这就是平衡PN结。出现空间电荷区后，在空间电荷区中形成一个电场，电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区，这个电场称为自建电场。平衡PN结的能带图由图可知：N半导体的费米能级EFN位于本征费米能级Ei之上，P型半导体的费米能级EFP位于本征费米能级Ei之下。当N型和P型半导体结合成PN结时，若没有外加电压，则有统一的费米能级EF，即费米能级处处相等。也就是说，N区的能带相对于P区下移（或者说P区的能带相对N区上移），从而使得两个区的费米能级拉平。能带的相对位移是PN结空间电荷区存在自建电场的结果，由于自建电场的方向是由N区指向P区的，表明P区的电势比N区的电势低。而能带图是按电子能量的高低画的，所以P区电子的势能比N区的势能高，也就是电子的电势能-qU(x)由N区向P区不断升高。**平衡PN结具有统一费米能级，恰好体现了每一种载流子的扩散运动和漂移运动电流相互抵消，从而没有净电流通过PN结。接触电势差电势变化量自建势场由N区指向P区，表明P区的电势（电位）比N区的电势低平衡PN结空间电荷区内能带发生弯曲，它反映了空间电荷区内电子势能的变化。电子从势能低的N区向势能高的P区运动，必须克服这个势能“高坡”；同理，空穴必须克服这个势能“势垒”才能从P区到达N区，这个势能“高坡”通常称为PN结的“势垒”，所以空间电荷区也叫势垒区。因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散形成PN结Carrierprofilesthroughajunction四空间电荷区的电场与宽度对于突变结的边界层，难以得到解析解，利用数值法进行求解。可得边界层得宽度约为一特征长度的3倍，此特征长度称为非本征德拜(Debye)长度：通常情况下，它远小于耗尽区德宽度，因此边界层可以忽略不计因此：可简单的将PN结化分为中性区和耗尽区（空间电荷区）忽略边界层的突变结的空间电荷区分布图在载流子完全耗尽的区域，有：对于N侧P侧的泊松方程可简化为：对于整个半导体来说，空间电荷区的电中性要求PN结两边的电荷相等，即：整个空间电荷区的宽度为：式中：PN结的最大电场由于正负电荷分布在一定体积中，电力线是从正电荷出发，终止于负电荷。因此电场强度在空间电荷区的各处是不想等的。界面处最大，而在边界处电场强度为零。由于电荷密度是均匀的，所以平行结面方向上电场强度不变。在交界面上具有最大的电场强度。空间电荷区的内建电势差为：由电势连续性：则有：即：2根据上式，可得耗尽层的宽度为：Poisson’sequationIntegrateElectricfieldprofiles(left-hand)PeakElectric-fieldprofiles

Electrostatic-potentialprofileContactpotential五平衡PN结的载流子分布在空间电荷区靠近P区边界Xp处，电子浓度等于P区的平衡少子浓度np0，空穴浓度等于P区平衡多子浓度pp0；在靠近N区边界Xn处，空穴浓度等于N区的平衡少子浓度pN0，电子浓度等于N区的平衡多子浓度nN0。在空间电荷区，空穴浓度从Xp处的pp0减小到Xn的pN0，电子浓度从Xn处的nN0减小到Xp处的np0。在PN结形成过程中，电子从N区向P区扩散，从而在结面的N区侧留下不能移动的电离施主；空穴自P区向N区扩散，留下了不能移动的电离受主（负电中心）。在空间电荷区内可移动载流子的分布是按指数规律变化的，变化显著，绝大部分区域的载流子浓度远远小于中性区域，即在空间电荷区的载流子基本已被耗尽，因此，空间电荷区又称为耗尽区或耗尽层。=－5×104(V/cm)对于线性缓变结，耗尽层内空间电荷分布可表示为：式中，a为杂质浓度的斜率（参见P57图2-2b）泊松方程改写为：则可以得到耗尽层的宽度和自建电势为：作业1：证明上述等式六缓变结空间电荷区的电场用扩散法制造的PN结称为缓变结，其净掺杂浓度是逐渐变化的。结深线性缓变结单边突变结表面浓度很低，结深很深的扩散结，看作线性缓变结；表面浓度很高，结深很浅的扩散结，看作单边突变结。（1）电场线性缓变结的电