第六章pn结 (2)

1、施洪龙电话：68930256半导体物理地址：中央民族大学1#东配楼目录第一章 半导体中的电子状态第二章 半导体中的杂质和缺陷第三章 载流子的统计分布第四章 半导体的导电性第五章 非平衡载流子第六章 pn结第七章 金属和半导体的接触第八章 半导体异质节第九章 半导体中的光电现象第十章 半导体中的热电形状第十一章 半导体中的磁-光效应u pn结及其能带图u pn结的电压电流特性u pn结电容u pn结击穿第六章 pn 结第六章 pn 结n型半导体中载流子的浓度和运动特征p型半导体中载流子的浓度和运动特征p型半导体+n型半导体=？pn结是晶体管、集成电路的基础，了解和掌握pn结的形状具有很重要的意义

2、第六章 pn 结n型把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结合金法：在n型单晶硅上放一粒金属铝(p)，铝与硅合金化后在其界面上形成pn结。杂质分布特点：施主杂质均匀地分布在n型区；受主杂质均匀地分布在p型区；界面上杂质浓度发生突变。第六章 pn 结n型把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结扩散法：在n型单晶硅上通过氧化、光刻、扩散等工艺制备pn结。通常为线性缓变结第六章 pn 结线性缓变结：低表面浓度的深扩散。突变结：合金结合和高表面浓度的浅扩散pn结空间电荷区：p型区的空穴浓度较高，n型区的电子浓度较高。当两者接触时，n型区的电子向p区扩散，p型

3、区的空穴向n区扩散。n区的电子向p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p区的空穴向n区扩散，受主杂质被电离成负电中心。随着扩散的进行，电离中心浓度逐渐增大。电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子做漂移运动。载流子的扩散与漂移最终达到动态平衡。neeeephhhh扩散扩散-+电离中心浓度梯度形成的电场内建电场第六章 pn 结空间电荷区：neeeephhhh扩散扩散-+电离中心浓度梯度形成的电场内建电场pn结形成时因电荷的扩散，使施主和受主杂质被电离，形成空间电荷，该区域称为空间电荷区。随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。此时，扩散了多少的载流子就有多少的电

4、离中心参与形成内建电场。第六章 pn 结p型半导体EcEvEAn型半导体EcEvEDEFpEFnEi当两块半导体结合形成pn结时，电子将从高能级的n区向低能级的p区流动；空穴从p区流向n区。e电子空穴的相对移动，使得EFn相对降低，而EFp相对抬高。当Efn=Efp时达到动态平衡。EcEvEDEFnEFpEcEvEAEi+qVD-qVD第六章 pn 结电子从高浓度到低浓度扩散，其(n区)电势能降低；对于p区电子的电势能增大，即引起能带的整体上下移动。EcEvEDEFnEFpEcEvEAEi+qVD-qVDneeeephhhh扩散扩散-+电离中心浓度梯度形成的电场内建电场载流子扩散的结果是使杂质

5、电离，形成内建电场，其大小就是载流子电势能的改变量。第六章 pn 结流过pn结的总电流密度为漂移电流和扩散电流密度之和：费米能级的改变=电势能的改变第六章 pn 结准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯度引起)导致非平衡电流的产生。平衡时，pn结内没有电流。当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费米面的位置变化小pn结在空间电荷区能带发生弯曲，这是内建电场引起的。电子从低势能的n区向高势能的p区运动时，必须爬过高坡，即pn结的势垒；空间电荷区又称势垒区。第六章 pn 结内建电场ED对应的电势能qVD为pn结的势垒高度。内建电场由准费米能级差引起：非简并态的载流子浓度为：相除取对数完全电离内建

6、电势差与pn结两端的杂质浓度、温度和禁带宽度有关。在一定温度下，两端杂质浓度差越大，禁带越宽，接触电势差越大。第六章 pn 结要想求出载流子的分布(浓度)，应先计算出态密度。态密度分布函数第六章 pn 结类似的空穴浓度为：pn结中电子的浓度为：第六章 pn 结如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为：假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽层。第六章 pn 结外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动Epn结加正向电压V，由于势垒两侧的载流子浓度很大

7、，电阻很小，正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场(qVD-qV)；内建电场(qVD-qV)减弱，打破了载流子扩散与漂移的平衡态，使扩散流起主导，存在净扩散电流。电子从n区扩散到p区，成为p区的非平衡载流子，它们在p区边扩散边被空穴复合。在p区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区域为扩散区。在pn结两端外加正向偏压，使非平衡载流子注入半导体中，称为非平衡载流子的电注入。第六章 pn 结外加反向直流电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动pn结加反向电压V，增强内建电场(qVD+qV)，增强了载流子的漂移;En区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p区，p区边界处扩散过来的电子被驱赶回n区；结区内

8、的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的扩散流，即少子的不断抽取或吸取。在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度趋于零，此时pn结的电流较小0.第六章 pn 结外加正向电压下，pn结的能带图EFnEFpEcpEvpEcnEvnLpLnpn在正向偏压下有非平衡载流子注入半导体中，使费米能级发生劈裂：空穴扩散区电子扩散区在空穴扩散区，电子浓度高，EFn较高(平直)，非平衡载流子对其影响较小；空穴浓度小，影响大；靠近结区，空穴浓度增大，EFn和EFp逐渐发生劈裂；到结区边界，空穴浓度最高，EF劈裂程度最大；Eq(VD-V)第六章 pn 结外加反电压下，pn结的能带图EFnEFpEcpEvpE

9、cnEvnLpLnpn在反向偏压下，内建电场增强，载流子的漂移电流增大，出现EF的劈裂：空穴扩散区电子扩散区Eq(VD+V)nEFnEFpphe第六章 pn 结理想pn结模型小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多；突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性；不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用，即通过耗尽层的电子和空穴的电流是常数；满足玻尔兹曼分布。第六章 pn 结理想pn结的电流电压方程计算的基本步骤：计算势垒边界的非平衡载流子浓度；由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布；由扩散方程算出少子的电流密度；得到电流电压

10、方程。第六章 pn 结理想pn结的电流电压方程计算的基本步骤：计算势垒边界的非平衡载流子浓度；p区的载流子浓度为：p区载流子浓度的乘积：边界处多子p区平衡少子复合第六章 pn 结理想pn结的电流电压方程计算的基本步骤： 计算势垒边界的非平衡载流子浓度：P区非平衡少子数：n区非平衡少子为：pn结中非平衡少子是由外加正向电压引起电注入 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：扩散漂移第六章 pn 结理想pn结的电流电压方程计算的基本步骤： 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：小注入电场影响甚小通解第

11、六章 pn 结理想pn结的电流电压方程计算的基本步骤： 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：通解边界条件：x无穷x=xn非平衡少子分布在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布第六章 pn 结理想pn结的电流电压方程在外加正向偏压下，当V一定时在势垒边界处非平衡少数载流子的浓度一定，在扩散区按指数规律衰减。外加反向电压下，如果 ,那么小注入pn结内的总电流为：Shockley方程第六章 pn 结pn结具有单向导电性在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大室温下，qVkT，反向偏压下，VkT J=-Js=说明反向电流密度与外加电压无关，是个常量。反向饱和电流密

12、度pn结的单向导电性整流效应第六章 pn 结温度效应温度升高流过pn结的电流密度迅速增大；带隙越宽电流密度越大；温度升高，带隙变宽，正向电流密度增大。此外，样品的表面效应、势垒区中非平衡载流子的产生与复合、大注入、串联电阻效应都会使pn结的电压特性偏离理想情况。第六章 pn 结当pn结两端的反向偏压超过某一值时，反向电流密度会迅速增大，该现象称为pn结击穿；发生反向击穿时的反向偏压称为pn结的击穿电压。雪崩击穿、隧道击穿、热电击穿是pn结中的三种击穿。雪崩击穿当pn结两端的反向偏压增大，内建电场增强，载流子在内建电场下加速运动；这些电子空穴对被内建电场加速，又激发出新的电子-空穴对，使得电流密

13、度迅速增大被加速的载流子与晶格原子相互碰撞，当其动能达到一定程度时，会将价带顶的电子激发到导带中，形成电子空穴对；第六章 pn 结雪崩击穿载流子以2n的方式增加的过程称为载流子的倍增效应；雪崩击穿除了与结区的电场强度有关外，还与势垒宽度有关；如果势垒宽度较窄，载流子很难达到雪崩击穿所需要的动能，就不能产生雪崩击穿。第六章 pn 结隧道击穿在强电场下，由隧道效应使大量电子从价带跃迁到导带所引起的击穿，又称齐纳击穿。在反向偏压下，结区的能带斜率增大，使得p区的价带顶高于n区的导带底。p区的价带顶的电子可能通过隧道效应跃迁到导带底，出现隧道电流。隧道长度为能带倾斜由电势能的改变引起：反向电场越强，隧道长度越短；隧穿几率越大第六