pn结半导体物理第七-73页文档课件

1、 第七章 PN 结本章学习要点：1. 了解PN结的结构及空间电荷区的概念；2. 掌握零偏状态下PN结的特性，包括内建电势、内 建电场以及空间电荷区宽度等；3. 掌握反偏状态下PN结的空间电荷区宽度、内建电 场以及PN结电容特性；4. 了解非均匀掺杂PN结的特性； 7.1 PN结的基本结构1. PN结的基本结构PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。2. 制造PN结的方法：（1）外延方法：突变PN结；（2）扩散方法：缓变PN结；（3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间； 为简单起见，首先讨论突变结。理想突变结： P型区和N型区分别均匀掺杂 P型区掺杂

2、浓度为Na N型区掺杂浓度为Nd 冶金结是面积足够大的平面理想突变结杂质浓度曲线3. PN结空间电荷区的形成 两种材料接触形成PN结时，冶金结两侧将出现载流子密度差，形成可动载流子的扩散流： * 电子离开N型区向P型区扩散，在N型区留下带正电荷的施主离子。 * 空穴离开P型区向N型区扩散，在P型区留下带负电荷的受主离子。 离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷，该区域即为空间电荷区。 空间电荷区: 半导体带电的区域。空间电荷区也称为 势垒区； 过渡区； 耗尽区；空间电荷区将形成内建电场。 内建电场引起载流子的漂移运动，漂移运动与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态。空间电荷区及内建电场的形成

3、过程示意图达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流平衡PN结的特点： 势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。 整个pn结具有统一的费米能级。 能带弯曲势垒高度。达到平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级 7.2 零偏状态下的PN结零偏状态:V外=01. 内建电势差 由PN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，PN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差。 从能量的角度来看，在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向P型区扩散，该内建势垒的高度即为内建电势差，用Vbi 表示。内建势垒的高度：影响势垒高度的因素： 掺杂浓度； 温度；2、电

4、场强度耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离。右图所示为突变结的体电荷密度分布。结论： 1）E0 ； 2）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在x=0处；结论： 1）E0 ； 2）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在x=0处；最大电场强度由PN结界面处电场连续可得：结论：在PN结界面两侧，N型区中单位面积的正电荷与P型区中点位面积的负电荷相等。在PN结界面处电场达到最大，最大电场为：内建电势：将内建电场对空间电荷区进行积分，即可求得空间电荷区中的电势分布。在P型区一侧有：设置电势零点为：由此可得：P型区中一侧空间电荷区中的电势分布为：PN结空间电荷中电势分布：电子的电势能可表示为：可见

5、，电子的电势能与电势的 变化类似。w3 空间电荷区的宽度将带入PN结内建势垒公式：影响空间电荷区宽度的因素： 掺杂浓度：主要取决于低掺杂区的浓度； 温度； 7.3 反偏状态下的PN结 当在PN结的两边外加一个电压时，此时整个PN结就不再处于热平衡状态，因此整个PN结系统中也就不再具有统一的费米能级。 反向偏置: PN结的N型区相对于P型区外加一个正电压VR。外加反偏电压VR时的PN结的能带图外加电场存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。 此时，PN结上总的势垒高度增大为：1. 空间电荷区宽度与PN结中的电场当PN结两侧外加反向偏压VR时，PN结

6、内部空间电荷区中的电场增强，因此PN结界面两侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。利用前面推导出的空间电荷区宽度公式，只需将公式中的PN结内建势垒代换为反偏PN结上总的势垒高度，即：结论：PN结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压VR的增大而不断增大。同样，空间电荷区在PN结两侧的扩展宽度也可以分别求得，其中在N型区一侧的扩展宽度为： 当PN结外加的反向偏压改变时，PN结中耗尽区的宽度发生变化，因此PN结两侧耗尽区中的电荷也会随之而发生改变，这种充放电作用就是PN结的电容效应。2. PN结的势垒电容根据电容的定义，单位面积PN结的电容为：上式为PN结势垒电容，也称为耗尽层电容。将耗尽区宽度此式

7、与单位面积的平行板电容公式完全相同。注意:PN结电容中的耗尽区宽度随着反偏电压的改变而不断变化，因此电容也是随着反向偏置电压的改变而不断变化的。带入上式得 ：小结：PN结反偏时形成的突变结势垒电容等效为平行板电容器的电容。影响势垒电容大小的因素： 掺杂浓度：掺杂浓度增加 ，势垒电容增加； 单边突变结，决定于低掺杂区浓度。 偏置电压： 反偏电压变大，势垒电容减小。3. 单边突变PN结如果PN结两侧的掺杂浓度相差很大，通常称之为单边突变PN结。如果P型区的掺杂浓度远远大于N型区的掺杂浓度，即NaNd，称之为PN。可见，PN结电容倒数的平方与反偏电压VR成线性关系。结论：利用此线性关系，可外推求出P

8、N结的内建电势差。可以通过直线的斜率求出PN结低掺杂一侧的掺杂浓度。 7.4 非均匀掺杂的PN结 至此，所讨论的PN结两侧都是均匀掺杂的半导体材料，但是实际的情况并非完全如此，另外在某些特殊的应用场合，也需要一些特别设计的非均匀掺杂PN结。1. 线性缓变PN结 通过扩散方法制造的PN结，杂质浓度分布近似为线性分布，这种PN结称为线形缓变PN结。 N型掺杂浓度与P型掺杂浓度相等之处，即为PN结界面的位置，也就是冶金结的位置。P区为非均匀掺杂的PN结的杂质浓度分布:理想线形缓变结： 杂质分布：N（x) = Nd-Na = ax结论：在线性缓变PN结的空间电荷区中，电场强度是距离的二次函数关系，而不

9、再是均匀掺杂PN结空间电荷区中电场强度随空间位置的线性变化关系。最大电场强度仍然位于冶金结界面处，空间电荷区之外电场强度也仍然为零。电场强度与距离的关系2. 超陡峭的PN结 对于单边突变PN结，考虑更一般的情况，即当x0时，N型区的掺杂浓度可表示为： N = Bxm当m=0时，即为均匀掺杂的情形；当m=1时，即为线性缓变PN结的情形；当m为负值时，即为所谓的超陡峭掺杂的PN结。采用类似的分析方法，可以求得超陡峭掺杂PN结单位面积的耗尽区电容为： PN结小结1、PN结P型区和N型区为同一块半导体单晶材料；2、空间电荷区： PN结中带电的区域，空间电荷区中大多数载流子已经耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽区。耗尽区之外，中性区。3、内建电场：内建电场位于空间电荷区，最大值在x=0处，耗尽区之外，内建电场为零。内建电场同时也会引起内建电势差，使得能带发