光电器件课件第二章.ppt

1、第二章 PN 结,pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器 件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而 pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结基本结 构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的 概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因而一定要理解 这些概念的物理涵义和基本性质。 重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等 分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程,2.1 pn结的基本结构,若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则会 在P 型区和N 型区的交界

2、面附近形成pn 结，它的行为 并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联。 这种结构具有特殊的性质：单向导电性。 PN 结是许多重要半导体器件的核心,零偏（热平衡）pn结 p型半导体与n型半导体的能带图 pn结的能带图 内建电势差,Ec,Ev,EFi,EF,Ec,Ev,EFi,EF,耗尽近似：认为在势垒区中全部自由载流子都被耗尽。,电场强度,p,n,E,-xp,xn,eNd,eNa,内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程确定：,其中为电势，E为电场强度，为电荷密度，s为介电常数。从图可知，电荷密度(x)为：,耗尽区假设,耗尽近似：认为在势垒区中 全部自

3、由载流子都被耗尽。,则p侧空间电荷区内电场可以积分求得：,边界条件：x=-xp时，E=0,相应，n侧空空间电荷区电场：,边界条件：x=xn时，E=0,p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：,-xp,xn,eNd,eNa,-xp,xn,x=0,E,因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：,空间电荷区整体保持电中性,空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸,根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：,确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=xp处的电势为0，则可确定积分常数值C1和p区内的电势值为：,同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：,当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式

4、可求出：,pp0,np0,nn0,pn0,-xp,xn,x=0,E,p,n,=0,=Vbi,电势和距离是二次函数关系，即抛物线关系,空间电荷区内的载流子浓度变化,显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出：,空间电荷区宽度,p,n,xp+xn,由整体的电中性条件要求，我们已经知道：,将该式代入用电势公式求出的Vbi式，可得到：,空间电荷区宽度与掺杂浓度有关,热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差 内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强 因为是热平衡状态，p区、n区及空间电荷区内具有统一的费米能级 空间电荷区内的漂移电流和扩散电流向平衡，无宏观电流。

5、p、n两侧的空间电荷总数量相等，对外部保持整体的电中性 空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称为耗尽区； 空间电荷区内形成内建电场，表现为电子的势垒，因而又称为势垒区 空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关,这一关系给出了内建电势差在p、n两侧的分配关系。这也解释了为什么对于单边突变结（p+n或pn+)来说，电压主要降落在轻掺杂一侧。外加电压同样会分配在pn结两侧，其分配比例不变。,因为在同样的耗尽假设下，求解泊松方程的过程是完全相同的，只是将整个电场积分后的电势差Vbi代换为Vbi-Vapp,零偏状态下 内建电势差形成的势垒维持着p区和n区内载流子的平衡 内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平

6、衡,pn结的单向导电性,pn 结两端加正向偏压V后， V基本上全降落在耗尽区的势垒上；由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性P区和N区的体电阻相比耗尽区电阻很大。 势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-V) ；正向偏置电压V在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。,产生了净扩散流； 电子：N区 P区空穴：P区 N区 热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了净扩散流。,在空间电荷区的两侧产生了过剩载流子； 通过势垒区进入P区的电子

7、和进入N区的空穴分别在界面（-xp和xn）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为正向注入，由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为少子注入。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为小注入。 边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散，经过大约几个扩散长度后，又恢复到了平衡值。,外加偏压时势垒区附近的载流子分布 准费米能级 用准费米能级代替费米能级的位置，给出的是对应的载流子在非平衡态条件下的密度 导带电子准费米能级EFN和价带空穴准费米能级EFP 类似于平衡态非简并半导体的载流子浓度公式： 非平衡态下的载流子浓度可写为：,（2.1）,（2.2）,变换上两式,（2.3）,（2.4

8、）,（2.5）,（2.6）,小注入：由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为少子注入。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为小注入。,pn结的零偏、正偏和反偏,考虑小注入情况在视类区域内空穴密度近似等于热平 衡时的空穴密度，其费米能级近似为热平衡状态时的空穴费米能级,正向偏压下,反向偏压下，在x=xn处的边界处的空穴密度为：,在x=-xp处的边界处的电子密度为：,加正向电压、反向电压时的载流子密度和电流密度分布,由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处的少数载流子分布,正偏,反偏,正偏电流图像 当电流由P区欧姆接触进入时，几乎全部为空穴的漂移电流；空穴

9、在外电场作用下向电源负极漂移； 由于少子浓度远小于多子浓度可以认为这个电流完全由多子空穴携带。 空穴沿x方向进入电子扩散区以后，一部分与N区注入进来的电子不断地复合，其携带的电流转化为电子扩散电流；,另一部分未被复合的空穴继沿x方向漂移，到达-xp的空穴电流，通过势垒区； 若忽略势垒区中的载流子产生-复合，则可看成它全部到达了xn处，然后以扩散运动继续向前，在N区中的空穴扩散区内形成空穴扩散流；,在扩散过程中，空穴还与N区漂移过来的电子不断地复合，使空穴扩散电流不断地转化为电子漂移电流； 直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出N区欧姆

10、接触的正向电流。,空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。,反偏电流图像 pn在反向偏置下， P区的多子空穴受外电场的作用向P区的欧姆接触负电极漂移，同时增强的空间电荷区电场也不断地把N区的少子空穴拉过来； N区的电子受外电场作用向N区的欧姆接触正电极漂移，同时空间电荷区自建电场亦不断地把P区的少子电子拉过来； N区边界xn处的空穴被势垒区的强电场驱向P区，而P区边界-xp处的电子被驱向N区，当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成反偏下的空穴扩散电流和电子扩散电流。这种情况好象少数载流子不断地被抽向对方，所以称为少数载

11、流子的抽取。,势垒高度和载流子浓度的对应关系偏压对空间电荷区边界处注入的非平衡载流子浓度的调制理想pn结电流-电压关系 正偏状态的pn结，正偏电流的大小随正偏电压的增加而指数增加。反偏时趋于饱和 当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，非平衡载 流子也就逐渐消失，半导体最终恢复到平衡态。 半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程，也就是非平衡载流子逐步消失的过程，称为非平衡载流子的复合。,PN结电容,小节 势垒高度和载流子浓度的对应关系偏压对空间电荷区边 界处注入的非平衡载流子浓度的调制理想pn结电流-电压 关系 正偏状态的pn结，正偏电流的大小随正偏电压的增加而指 数增加。反偏时趋于饱和 随着温度的

12、升高，反偏饱和电流增大，相同正向电流下的 偏压降低 利用温度特性可以制成对温度敏感的二极管，作为温度探 测器件。但同时二极管的温度特性要求二极管要正确应 用，避免形成温度正反馈导致烧毁 当pn结二极管的中性区长度远小于扩散长度时为短二极 管，扩散区缩短，扩散区内的复合作用可以忽略。双极晶 体管中的EB结通常就是一个短pn结,再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：,对于WnLp的条件，我们还可以对上式做进一步的简化，因为此时有：,再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：,单边突变结：一侧高掺杂，而另一侧低掺杂的突变结,p+n或pn+,单边突变结空间电荷区主要向轻掺杂一侧扩展,单边突变结的势垒主要降落在轻掺杂一侧,注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。 上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。,pn在反向偏置下， P区的多子空穴受外电场的作用向P区的欧姆接触负电极漂移，同时增