2022-2023学年高二物理竞赛课件：p型半导体和n型半导体

p型半导体和n型半导体2p-n结：由p型半导体和n型半导体接触形成的结。整流性：只容许电流流经单一方向。p-n结形成前p型和n型半导体材料分离。费米能级在p型材料中接近价带边缘，在n型中则接近导带边缘。p型，空穴为多子，电子为少子；n型刚好相反。p型半导体和n型半导体3p型和n型半导体结合空穴离开p侧，结附近部分受主离子NA-未能够受到补偿，因受主被固定在半导体晶格。结附近部分施主离子ND+，在电子离开n侧时未能得到补偿。负空间电荷在接近结p侧形成，正空间电荷在接近结n侧形成。空间电荷区域产生了一电场（内建电场）：由正空间电荷指向负空间电荷。热平衡时，整个样品上的费米能级是常数（亦即与x无关）。4热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi无外加偏压，横跨结的总静电势是Vbi。从p端到n端其对应的电势能差是qVbi。p端加一相对于n端的电压VF，p-n结正偏。跨过结的总静电势减少VF，即Vbi-VF。因此，正偏降低耗尽区宽度。在n端加上相对于p端的电压VR，p-n结反偏，总静电势增加VR，即Vbi+VR。反向偏压会增加耗尽区宽度。反偏，耗尽层势垒电容为主要结电容。正偏，对结电容会产生显著的附加电容（即扩散电容）。5pn结理想电流-电压特性的假设：①耗尽区为突变边界，且假设在边界之外，半导体为电中性。②边界的载流子浓度和跨过结的静电电势有关。③小注入情况，亦即注入的少子浓度远小于多子浓度，即在中性区边界上，多子浓度因加上偏压而改变的量可忽略。④耗尽区内无产生和复合电流，且电子和空穴电流在耗尽区内为常数，p-n结内的电流处处相等。为n区空穴（少子）的扩散长度。为p区电子（少子）扩散长度。理想二极管方程式为：反偏，耗尽区内主要考虑产生-复合中的产生电流；而正偏时，耗尽区内则主要考虑俘获过程。6双极型器件：电子与空穴皆参与导通，由两个相邻的互作用的p-n结组成，其结构可为p-n-p或n-p-n。发射区的掺杂浓度远比集电区大；基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。当基区宽度足够小时，由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。由邻近的射基结注射过来的空穴可在反偏集基结造成大电流，此为晶体管放大作用，且只有当此两p-n结足够接近时才会发生，因此此两结被称为交互p-n结。7

为推导理想晶体管的电流、电压表示式，作下列五点假设：（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂；（2）基区中空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；（3）载流子注入属于小注入；（4）耗尽区中没有产生-复合电流；（5）晶体管中无串联电阻。晶体管三端点的电流主要是由基极中的少子分布来决定。根据射基结与集基结上偏压的不同，双极型晶体管有四种工作模式。晶体管有四种工作模式。8共射组态下，当集电极和基极间的反向偏压增加时，基区宽度将会减少，导致基区中的少子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。这种电流变化称为厄雷效应，或基区宽度调制效应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压。低频，共基电流增益是一固定值；频率升高至一关键点后，共基电流增益将会降低。右图显示热平衡状态，两个半导体形成理想异质结的能带图。在此图中，假设此两不同半导体的界面没有陷阱或产生-复合中心。必须选择晶格常数很接近的材料来符合此假设。异质界面处的能带是不连续的。9右图为V=0，理想p型MOS二极管的能带图。q

m、q

s：功函数，qχ：电子亲和力，qΨB：费米能级EF与本征费米能级Ei差。理想MOS二极管定义为：(1)零偏压时，q

ms为零，即能带是平的（称为平带状况）。(2)任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等、极性相反；(3)直流偏压下，无载流子通过氧化层，氧化层电阻值无穷大。10理想MOS二极管偏压为正或负时，半导体表面出现三种状况(1)p型半导体，施加负电压，接近半导体表面的能带向上弯曲。使EF-Ei变大，提升空穴的浓度，氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，称为积累现象。理想MOS二极管，不论外加电压为多少，器件内部均无电流流动，半导体内部费米能级为一常数。(2)外加小量正电压，靠近半导体表面的能带向下弯曲，EF=Ei，多子空穴耗尽，称为耗尽现象。半导体中单位面积的空间电荷Qsc值为qNAW，其中W为表面耗尽区的宽度。11起初，因电子浓度较小，表面处于一弱反型状态，当能带持续弯曲，使得EC接近EF。当靠近SiO-Si界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时，开始产生强反型。之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄的n型反型层（0≤x≤xi）中产生的电荷Qn[如右上图]所组成，其中xi为反型层的宽度。xi通常远小于表面耗尽区的宽度。(3)外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重。由于EF-Ei＞0，半导体表面电子浓度大于ni，而空穴浓度小于ni，表面载流子呈现反型，称为反型现象。12类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0Tn