半导体物理讲义-9.doc

第四部分 PN结和金属-半导体接触一、热平衡状态下的PN结 PN结是很多半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析这些器件特性的基础。PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点：存在两种载流子；载流子有漂移、扩散和产生-复合三种基本运动形式等。因此，PN结做为半导体特有的物理现象，一直受到人们的重视。我们主要结合较为简单的模型，着重分析PN结中的物理过程。 在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。一种简单的情况：N型区均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND ；P型区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为NA ；在P型区和N型区交界面处，杂质分布有一突变，(如左图)，这种情况称为突变结因为这种杂质分布比较简单，我们主要就结合突变结进行分析，得到的结论绝大部分对于其他类型的杂质分布情况同样是适用的。实际PN结制作方法通常采用下面两种方法中的任意一种制作：1) 给P型半导体的一部分掺加施主原子(或者相反，在n型中掺加受主原子)。施主浓度超过受主浓度的部分即转变为n型，从而制成PN结。制作工艺有：合金法、扩散法、离子注入法等。 图 合金法制造PN结过程用合金法制成的PN结就是突变结。图 扩散法制造PN结过程 图 扩散结的杂质分布(a)扩数结，(b)线性缓变结近似，(c)突变结近似2) 在P型半导体上生长新的n型半导体(或相反) 制作工艺有：外延生长法等。 1、PN结的接触电位差在研究不同半导体间相互连接(PN结)或同一半导体内各处的不均匀问题时，费米能级的概念是特别有用的。因为在这样的问题中，费米能级的高低直接决定着电子的流动或平衡。如果各处费米能级高低不一，就表示电子是不平衡的，电子要从费米能级高的地方流向费米能级低的地方。只有当各处的费米能级高低相同，各处电子处于相对平衡时，才没有电流的流动。下面我们应用费米能级来讨论PN结的接触电位差。在半导体的PN结中，由于两边的材料内电子和空穴的浓度不相同，电子通过扩散进入P区，留下失去电子的施主正离子，PN结中靠近N区一侧有正电荷；同理，P区一侧有负电荷，因而形成一个空间电荷区。空间电荷区中产生电场（称自建电场）。电场方向是从n区指向p 区。在该电场作用下，电子向n区运动，空穴向P区运动。即自建电场引起的漂移运动和扩散运动方向相反，电场具有抑制扩散运动的作用。直到两种运动(漂移运动和扩散运动)间产生平衡，电子、空穴的净电流为零。从而保持两边P型和N型区间的相对平衡。这就是热平衡状态下的PN结。PN结空间电荷区内存在电场表示在P型和N型两部分之间存在一定的电位差，称为接触电位差。 上图表示一个PN结，一边是N型，EF在禁带的上半部，我们用(EF)n表示，另一边是P型，EF在禁带下半部，我们用(EF)p表示。由于(EF)n(EF)p ，即费米能级高低不同，所以电子从N型流向P型。正是电子的这种流动在两部分间形成了空间电荷区，并产生接触电位差，从电子流动的方向可以知道，P型相对N型的电位差为负值，我们用 -V0来表示： 接触电位差(P区相对N区)-V0我们取N区电位为0，所以P区的电位就是 -V0，从费米能级来看，正是这个电位差使原来两边高低不同的费米能级被调整到同一水平，从而实现了平衡。为什么这个电位差能改变费米能级呢？因为P型区具有电位-V0所以P区中所有电子都因此而具有一个附加电位能：电位能=q V0因为能带图本来表示的就是在各能级中的电子的能量，所以p区中的电子，不管它在哪一个能级上，现在都增加了这么一个能量，反映在能带图上就是使整个P区的能带升高q V0，图中的箭头q V0就是表示接触电位差应使P区的费米能级(连同整个能带)提高qV0后与N区拉平，所以有 由此看到，接触电位差完全是由原来两边费米能级之差决定的。 将N型和P型的费米能级公式代入上式得到从这个结果可以看出，PN结的接触电位差决定于两侧N区和P区的掺杂浓度，掺杂浓度ND和NA越高，接触电位差也就越大。2、PN结的能带图和PN结中的载流子浓度左图是PN结形成接触电位差后，处于平衡状态(不加电压，没有电流)时的能带图。左边是N区，右边是P区，中间是空间电荷区，用座标x表示，右边的前头表示P区能带比N区高qV0 。它是由接触电位差所引起的。 为什么能带在空间电荷区呈弯曲形状？这实际上反映从N区到P区能带是随着电子的电位能-qV(x)逐步提高的。x从N区到 P区，电位V(x)由0变到-V0，相应地能带从N区开始逐步提高，到P区边界正好提高到qV0 。 在PN结能带图上，能带是弯曲的，然而费米能级则贯穿PN结保持为一条水平横线。这是平衡PN结的特征，它表示各处费米能级相等，电子处于相互平衡，没有电流流动。电子和空穴浓度在PN结中的变化：我们用nN和pN分别表示N区的多子(电子)和少子(空穴)的浓度，用pp和np分别表示P区的多子(空穴)和少子(电子)的浓度。在空间电荷区中，载流子的浓度是激烈变化的，电了的浓度从在N区边界等于多子浓度nN，到P区边界变到等于少子浓度np ；空穴浓度则是从在P区边界等于多子浓度pp、到N区边界变到等于少子浓度pN 。PN结中载流子浓度的这种激烈变化可以从载流子浓度和费米能级关系式推出。 从基本公式看，载流子浓度变化的原因就是由于费米能级是水平的，而本征能级Ei则是按照能带弯曲的，因此，公式中的 (EF-Ei) 是变化的，从而使n和P激烈变化。如果用（Ei）N表示N区的本征能级，那末在空间电荷区一点x，由于附加的电子电位能-qV(x)，本征能级把（Ei）N和Ei(x)分别代入电了浓度的基本公式，得到N区的电子浓度空间电荷区中x点的电子浓度达个结果表明，电子浓度的变化是由电子的位能（-qV(x)）决定的，位能越高的地方负指数越大，电子的浓度越小。按照以上规律，在PN结中，从x=0处V(X)=o，到x=d 处，V(X)= -V0 ，电子浓度将从nN变到 。但在x=d 处，处电子浓度应等于P区少子浓度，所以必须有这式子可以这样理解：接触电位差的作用是使电子浓度通过PN结正好从N区的多子浓度nN降到等于P区少子浓度np 。 同样可以求得空间电荷区中的空穴浓度，结果可表示为其中， ，代表x点相对P区的电位。根据上式，在N区边界，即x=o 处，由于电位函数 V(x)=o，空穴浓度为它应等于N区少子浓度pN，所以必须有 .这就是说，在这里接触电位差V0的作用是使空穴浓度通过PN结正好从P区的多子浓度Pp降低到N区的少子浓度PN 。 另外：在讨论载流子在空间电荷区中的运动时，常应用“位垒“这样一个术语来形象地描绘它们的性能变化。从图示的能带图来看，电子从N区到P区就好象要爬一个高度为qV0陡坡。因为这个陡坡反映的是电子位能的升高，所以称为位垒(位能的壁垒)，或势垒(势能的壁垒)。因为，在能带图上，对空穴来说，能级越低能量越高(空六从高能级到低能级的变化需要能量才能实现)，所以，在图示的能带图中，空穴来说，从P区到N区能带下降也构成一个高度为qV0的“位垒”。二、PN结的电流-电压特性（单向导电性） PN结具有单向导电性，这是 PN结最基本的性质之一。所谓单向导电性就是当PN结的P区接电源正极，N区接负极，PN结能通过较大电流，并且电流随着电压的增加很快的增长，称PN结处于正向。反之，如果P区接电源负极，N区接正极，则电流很小，而且电压增加时电流趋于“饱和”，称PN结处于反向。也就是说PN结单向导电性的含义是指：PN结正向导电性能很好(正向电阻小)；反向导电性能差(反向电阻大)。这种单向导电性可以用PN结的电流电压关系表示，如左图。1、PN结的正向注入平衡PN结中，载流子的扩散运动和漂移运动处于相对的平衡状态，空间电荷区存在自建电场。当PN结加有正向偏压时(如图)，外加电压的方向与自建场的方向相反，使空间电荷区中的电场减弱。这样就打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，使载流子的扩散运动超过漂移运动，扩散运动成为矛盾的主要方面。在这种情况下，将源源不断的有电子从N区扩散到P区，有空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子。这种现象常称为PN结的正向注入。下面我们具体分析PN结正向注入的非平衡载流子的运动视律，从而求出电流：电子从N区扩散列P区，空穴从P区扩散到N区，它们运动的方向相反，但所带的电荷符号也相反，所以代表的电流方向是相同的，都是从P区到N区。这两股电流构成了PN结的正向电流。在前面章节已详细讨论过，这种注入的非平衡载流子以扩散的形式运动，边扩散边复合，并且导出了非平衡载流子电流密度(绝对值)为：N0表示在注入边界的非平衡载流子浓度。在这里，对注入P区的电子电流来说，N0就是上图中的对注入N区的空穴电流来说，N0就是上图中的所以，只要知道，当加一定的正向电压V=Vf时，注入边界的载流子浓度N0，就可以求出正向电流来。以从N区注入到P区的电子电流为例进行具体计算：当加正向偏压V=Vf时，由于空间电荷区的电场减弱，使得N区和P区间的电位差也要减少。具体来说，正向偏压Vf是加在P区的，因此将抵消平衡时接触电位差-V0的一部分，从而使P区相对N区的电位差变为 -（V0-Vf） 。这就使PN结的位垒由平衡时的qV0降低为q(V0-Vf) 。在有外加偏压时，仍可以认为载流子浓度在空间电荷区近似遵循破耳兹曼分布。但由于这时位垒降低为q(V0-Vf)，所以，电子浓度通过空间电荷区的位垒到P区边界，将降低为 注意，括号内因子就是平衡PN结中的，所以正向偏压V=Vf时，在P区边界的电子浓度为：即：当PN结加正向偏压时，由于正向注入效应，使边界处少子浓度增加到平衡时浓度乘以 。边界的少子浓度减去平衡时的浓度，就得到边界上的非平衡载流子浓度：按照非平衡载流子的电流公式，只要再乘以扩散速度 和电子电荷q，就得到注入P区的电子电流密度：所以，把jn和jp相加即得到通过PN结的正向电流的基本公式：电流方向是从P区流向N区。注意：在实际应用中（常温下），常把上式写成J0是不随电压变化的常数。 在实际电路中的PN结，只要它是处于正向导通的状态，结上的正向电压Vf就具有大体确定的值，这个值就称为PN结的导通电压，有时也称正向压降。（1） 对给定的某一种材料制成的PN结，通过PN结的电流往往是由PN结以外的其它电路条件决定的，因此随具体条件的不同，可以有很大的不同。虽然通过PN结的正向电流大小不同，而正向电压却能大体保持不变，其原因是由于正向4电流随正间电压按指数规律变化。举例来说，常温下电流密度j变化10倍，Vf只需要改变0.06伏。（2） 由禁带宽度不同的半导体材料制成的PN结，导通电压的数值范围是不一样的。下图中对比地给出了四种禁带宽度不同的半导体做的P+N结的正向电流-电压关系，(a)Ge：Eg=0.7eV；(b)Si：Eg=1.1eV；(c)