5 第二章2.1 平衡PN结

1、Physics of Semiconductor Devices第二章第二章 PNPN结结如果将如果将P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合在一起，在二者的交界处就型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了形成了PNPN结。结。PNPN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶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，都是由体管、结型场效应晶体管等，都是由PNPN结构成的。结构成的。PNPN结的性质结的性质集中反映了半导体的导电性能的特点。集中反映了半导体的导电性能的特点。前言前言An interface lying between a P-type region

2、and an N-type region in a semiconductor single crystal is termed a PN junction.Physics of Semiconductor Devices1 1、分析、分析PNPN结形成的物理过程和结形成的物理过程和PNPN结的物理特性结的物理特性2 2、电流电压特性、电流电压特性3 3、击穿特性、击穿特性4 4、电容效应、电容效应5 5、开关特性等、开关特性等PNPN结的主要讲解内容：结的主要讲解内容：Physics of Semiconductor Devices封装好的集成电路Physics of Semiconduct

3、or Devices硅单晶片与加工好的硅片Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices热平衡热平衡PNPN结结2.12.1Physics of Semiconductor DevicesPN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OutlinePhysics of Semiconductor Devices制造业制造业芯片制造过程一 制备方法与工艺过程Physics of Semiconductor DevicesP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

4、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Physics of Semiconductor Devices1 1、合金法、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。Physics of Sem

5、iconductor Devices杂质分布杂质分布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：PN结； 如果ND NA，记为：PN结。Physics of Semiconductor Devices2 2、扩散法、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

6、缓变结。Physics of Semiconductor DevicesPN结的结深结的结深杂质分布杂质分布ADjDAjNNXxNNXx,)(jjADXxaNN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：Physics of Semiconductor Devices3 3、离子注入法、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。Physics of Semiconductor Devices小小

7、结结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。Physics of Semiconductor Devices工艺过程Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices硅基PN结制作工艺过程在在N型或型或P型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结，结，其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种P

8、N结中，杂质浓度从结中，杂质浓度从P区到区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。区是逐渐变化的，通常称为缓变结。Physics of Semiconductor Devices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。Physics of Semiconductor Devices一维电场电势一维电场电势相应的准费米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？Physics of Semiconductor Devices

9、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，和空穴得浓度差，N区中的电子要向区中的电子要向P区扩散，区扩散， P区中的空穴要向区中的空穴要向N 区扩区扩散。这样，对于散。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这些电离受主在PN结的结的P区侧形成了一个负电荷区；同样的，在区侧形成了一个负电荷区；同样的，在N区由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

10、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。所在的区域称为空间电荷区。分析分析二二Physics of Semiconductor Devices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），此时的向相反），此时的PNPN结达到了平衡态，这就是平衡结达到了平衡态，这就

11、是平衡PNPN结。结。出现空间电荷区后，在空间电荷出现空间电荷区后，在空间电荷区中形成一个电场，电场的方向区中形成一个电场，电场的方向由带正电的由带正电的N N区指向带负电的区指向带负电的P P区，区，这个电场称为自建电场。这个电场称为自建电场。Physics of Semiconductor Devices平衡平衡PNPN结的能带图结的能带图由图可知：由图可知：N N半导体的费米能级半导体的费米能级EFN位于本征费米能级位于本征费米能级Ei之上，之上，P P型半导体的费米能级型半导体的费米能级EFP位于本征费米能级位于本征费米能级Ei之下。当之下。当N N型和型和P P型半导体结合成型半导体

12、结合成PNPN结时，若没有外加电压，结时，若没有外加电压，则有统一的费米能级则有统一的费米能级EF ，即费米能级处处相等。也就是说，即费米能级处处相等。也就是说，N N区的能带相对于区的能带相对于P P区下区下移（或者说移（或者说P P区的能带相对区的能带相对N N区上移），从而使得两个区的费米能级拉平。区上移），从而使得两个区的费米能级拉平。Physics of Semiconductor Devices能带的相对位移是能带的相对位移是PNPN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 N区指向区指向P P区的，表明区的，表

13、明P P区的电势比区的电势比N N区的电势低。而能带图是按电子能量的高低画的，区的电势低。而能带图是按电子能量的高低画的，所以所以P P区电子的势能比区电子的势能比N N区的势能高，也就是电子的电势能区的势能高，也就是电子的电势能-qU(x)由由N N区向区向P P区不断升区不断升高。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。DFPFNqUEE接触电势差接触电势差电势变化量电势变化量Physics of Semiconductor Devices自建势场由自建势场由N N区指向区指向P P区，表明区，表明P P区的电势（

14、电位）比区的电势（电位）比N N区的电势区的电势低低平衡平衡PN结空间电荷区内能带发生弯曲，它反映了空间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。电子从势能低的电荷区内电子势能的变化。电子从势能低的N区向势能区向势能高的高的P区运动，必须克服这个势能区运动，必须克服这个势能“高坡高坡” ；同理，空；同理，空穴必须克服这个势能穴必须克服这个势能“势垒势垒”才能从才能从P区到达区到达N区，这区，这个势能个势能“高坡高坡”通常称为通常称为PN结的结的“势垒势垒”，所以空间，所以空间电荷区也叫势垒区。电荷区也叫势垒区。Physics of Semiconductor Device

15、s因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散形成形成PN结结Physics of Semiconductor DevicesCarrier profiles through a junctionPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices四四 空间电荷区的电场与宽度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。可得边界对

16、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倍，此特征长度称为非本征德拜(Debye)长度：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：因此：可简单的将可简单的将PN结化分为中性区和耗尽区（空间电荷区）结化分为中性区和耗尽区（空间电荷区）Physics of Semiconductor Devices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：在载流子完全耗尽的区域，有：Physics of Semi

17、conductor Devices对于对于N侧侧P侧的泊松方程可简化为：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：结两边的电荷相等，即：整个空间电荷区的宽度为：整个空间电荷区的宽度为：Physics of Semiconductor Devices式中：式中：PN结的最大电场Physics of Semiconductor Devices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。界面于

18、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。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。界面上具有最大的电场强度。Physics of Semiconductor Devices空间电荷区的内建电势差为：空间电荷区的内建电势差为：由电势连续性：由电势连续性：则有：则有：即：即：2Physics of Semiconductor Devices根据上式，可得耗尽层的宽度为：根据上式，可得耗尽层的宽度为：Physics of S

19、emiconductor Devices五五 平衡平衡PNPN结的载流子分布结的载流子分布在空间电荷区靠近在空间电荷区靠近P区边界区边界Xp处，电子浓度等于处，电子浓度等于P区的平衡少子浓度区的平衡少子浓度np0，空穴浓度等于空穴浓度等于P区平衡多子浓度区平衡多子浓度pp0 ；在靠近；在靠近N区边界区边界Xn处，空穴浓度等于处，空穴浓度等于N区的平衡少子浓度区的平衡少子浓度pN0 ，电子浓度等于，电子浓度等于N区的平衡多子浓度区的平衡多子浓度nN0 。在空间。在空间电荷区，空穴浓度从电荷区，空穴浓度从Xp处的处的pp0减小到减小到Xn的的pN0 ，电子浓度从，电子浓度从Xn处的处的nN0减减小

20、到小到Xp处的处的np0 。Physics of Semiconductor Devices在在PN结形成过程中，电子从结形成过程中，电子从N区向区向P区扩散，从而在结面的区扩散，从而在结面的N区侧留下不能区侧留下不能移动的电离施主；空穴自移动的电离施主；空穴自P区向区向N区扩散，留下了不能移动的电离受主（负区扩散，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

21、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。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。Physics of Semiconductor Devices=5104(V/cm)Physics of Semiconductor Devices对于线性缓变结，耗尽层内空间电荷分布可表示为：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：泊松方程改写为：则可以得到耗尽层的宽度和自建电势为：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Physics of Semiconductor Devices

22、DqNdxdEExxDdxqNdE02110)2()(0XxqNxED200XqNEDMPoissons equationIntegrateElectric field profiles (left-hand) PeakElectric-field profiles Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesQAdD321sss) 0()(1 xxNxxqxnDns)0 ()(1pApsxxNxxqx ) 0(maxxNqxNqxEApDnsPhysics of Semiconductor DevicesElectrostatic-potential profileNxxDdxXxqNd210110)2()48()22(202002XXxXxqNDN8222002XxXxqNDN820XqNDN)(2)(02xXxqNxDPhysic