固体物理 第六讲 p-n结

1、第六讲 p-n结p-n结和能带p-n结的I-V特性p-n结的电容特性p-n结的失效机理11 p-n结与能带 p-n结形成和杂质分布 p-n结形成和类型：p-n结形成方法：一块n型(或P型)半导体单晶体上， 利用： 合金法 扩散法 生长法 离子注入法等2用适当的工艺方法把P型(或n型)杂质掺入其中，使单晶体不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面处就形成了p-n结 p-n结类型：按杂质分布一般可以归纳为突变结和线性缓变结： 突变结: 合金突变结两边的载流子浓度有数量级差别，称之为单边突变结。 缓变结: 线性缓变结3PN结的形成: 将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起，这种紧密连

2、接不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程。 N型半导体中的多子电子的浓度远大于P型半导体中少子电子的浓度；P型半导体中多子空穴的浓度远大于N型半导体中少子空穴的浓度。于是在两种半导体的界面上会因载流子的浓度差发生了扩散运动，见左图。 图中兰色小圆为多子电子；红色小圆为多子空穴。扩散电流4 随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。杂质在晶格中是不能移动的，所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。这种

3、离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向P区，称为内电场，见左上图。 内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。内电场内电场漂移电流5 漂移电流的方向正好与扩散电流的方向相反，扩散运动越强，内电场越强，对扩散运动的阻碍就越强；内电场越强，理应漂移电流就越大。因少数载流子的浓度与温度有关，在一定的温度条件下，少数载流子的浓度一定，所以漂移电流的大小就一定，不会随内电场加大而继续加大。从而在某个温度条件下，扩散和漂移会达到动态平衡，扩散电流和漂移电流相等。内电场扩散电流漂移电流扩

4、散电流漂移电流6可以用下列箭头来描述这一过程: 因浓度差 形成多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 我们称从N区指向P区的内电场为PN结。因为离子薄层中的多数载流子已经扩散尽了，缺少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。所以PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽层、内电场等等。 以上PN结的形成过程可以通过动画进一步学习。动画1-3空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 达到动态平衡78910pn 结中的电场和电势差p区能带升高，n区能带降低，形成势垒pn 结中的电场和势垒11空间电荷区:（单独的n和p型半导体是电中性的）产生原因当这两块半导体结合形成p-n结时，由于

5、它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。界面附近p区留下了不可动的带负电荷的电离受主，而n区出现了电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所构成的电荷称为空间电荷。它们所存在的区域称为空间电荷区12 空间电荷区中的电荷产生了从n区指向p区的电场内建电场。内建电场作用:阻碍电子和空穴继续扩散的作用。 1314 载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，无外加电压的情况下，电子和空穴的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。没有电流流过p-n结。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区保持一定的宽度其中存在一定的内建电场。一

6、般称这种情况为热平衡状态下的p-n结(简称为平衡p-n结)。15平衡p-n结费米能级一致热平衡态下无净电流通过p-n结：电子电流：平衡下电子密度:电子密度随位置变化:考虑爱因斯坦关系:16本征费米能级变化和电子电势变化一致：17平衡态下各处费米能级相同；电子电流和电子密度与费米能级随位置 的梯度成正比；电子电流密度一定时， 电子密度大的地方，费米能级随地点变 化率小，电子密度小地方费米能级随地 点变化率大。18接触电势差： 平衡p-n结的空间电荷区两端电势差VD，称为p-n结接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为p-n结的势垒高度。势垒高度正好补偿了n和p区费米能

7、级之差： 19取nn0和np0分别表示n和p区的平衡电子浓度，则对非简并半导体：因 VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度和禁带宽度相关 2021Energy Band22势垒区电位分布电荷密度： (x) qNA (-xpx0) q ND (0 xxn）由Poisson方程 :根据结的边界电场为零条件，积分得到电场强度表达为： n区： p区:23各处的电位：考虑在x=0处电位连续条件，-xp处电位为零 n区: p区:总电位差大小:24平衡p-n中载流子分布 电子分布规律：在x处能量dE范围内电子数：取p区电子势能为零Ecp=0，n区电子势能为：Ecn=qVD。势垒区内任一处x的内建电势V(x)和位

8、置相关，电子势能为Ec(x)=qV(x)，计算出电子浓度分布：25同样得到空穴浓度分布： 载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系 积分中采用变量代换：Z=(E-E(x)/ k0T，n区平衡电子浓度为:26根据电子浓度表达式： x=xn ， V(x)=VD， ，即n区多子浓度。 x=xp，V(x)=0，有 为p区少子平衡浓度根据空穴浓度表达式:在x=xn， ，n区平衡少子浓度x=xp，为p区多子平衡浓度27耗尽层近似： 一般情况下，势垒区杂质全部电离，但势垒区载流子的浓度远小于平衡态n区和p区多子浓度，认为载流子耗尽，空间电荷区的电荷密度就等于电离杂质浓度。 282 p-n结的电流

9、电压特性非平衡下的p-n结 平衡下没有净电流通过p-n结,每一种载流子的扩散和漂移电流互相抵消，p-n结中费米能级处处相等。当p-n结两端有外加电压时，p-n结处于非平衡状态。 外加正向偏压(即p区接电源正极n区接负极) 外加正向偏压基本降落在势垒区: 因势垒区内载流子浓度很小；正向电压减弱势垒区电场，破坏原载流子扩散和漂移运动之间平衡，削弱了漂移运动，使扩散流大于漂移流。 电子从n区向p区以及空穴从p区向n区的净扩散流。29 电子在边界-xp处形成高浓度电子的积累成为p区的非平衡少数载流子，形成了边界向p区内部的电子扩散流，边扩散边与空穴复合，经若干倍扩散长度后全部被复合，此区域为扩散区。

10、正向偏压一定时，此处有稳定的电子扩散流。同理，在边界xn处也有一不变的向n区内部流动的空穴扩散流。 正向偏压增时，势垒降得更低，流入p区的电子流和注入n区的空穴流增大，外加正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。30正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，减弱势垒区中的场强，空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度下降为： q(VD-V ）p-n结任一截面处通过的电子流和空穴流并不相等，由电流连续性原理通过p-n结的总电流是相等的（势垒区载流子的复合不计） ，只是对于不同的截面，电子流和空穴流的比例不同。通过p-n结的总电流，为两端少子扩散电流之和

11、。3132PN 结外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN33图 1.2.3反相偏置的 PN 结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。R外电场方向内电场方向空间电荷区PNVIS34综上所述：当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。可见， PN 结具有单向导电性。35正向偏压势垒变化 正向偏压下电流分布 反向偏压势垒变化36p-n结加反向偏压(V

12、0, exp(qV/k0T)0, 则n区空穴分布： 在x=xn处，pn(x)pn0，即pn(x) 0； 在n区内部 xLp，pn(x)=pn0。484950小注入时扩散区中不存在电场在结区两端少子扩散电流密度为 :51 假设势垒区内的复合产生作用可以忽略，通过p-n结的总电流密度J为 :52其中理想p-n结模型的电流电压方程式称为肖克莱方程式。53可看出： 1）偏压一定，总电流密度一定。 2）单向导电性：在正向偏压下电流密度随正向偏 压呈指数关系迅速增大,因qV koT， J Jsexp(qV /koT) , 电流随正向偏压呈 指数增大 3）在反向偏压下, V0, exp(qV /koT) 0

13、, J=Js 为常量，Js称为反向饱和电压。54由于 J主要决定于其中e指数变化部分， Js随温度升高而迅速变大，偏压一定，无论是正向还是反向电流都随温度升高而变大。而反向电流趋于更快。反向偏压下比正向偏压下IV特性对温度更敏感。正向势垒区宽度小于反向偏压势垒区宽度。 温度对p-n结电流电压特性影响5556影响p-n结电流电压特性偏离理想方程的 各种因素： 表面效应：表面态影响 势垒区内的载流子产生及复合 p-n结处于热平衡状态时，势垒区内通过复 合中心的载流子产生率等于复合率。 大注入条件 串联电阻效应57 反向偏压时，势垒区内的电场加强，所以在势垒区内，由于热激发的作用，通过复合中心产生的

14、电子空穴对在复合前就被强电场驱走了，势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率，具有净产生率，从而形成另一部分反向电流，称之为势垒区产生电流。这是实验所得反向电流比理想方程的计算值大，以及反向电流不饱和的原因。58 正向偏压下，从n区注入的电子和从p区注入的空穴在势垒区被复合掉一部分，形成一部分正向电流，称之为势垒区复合电流。正向偏压下的电流为复合电流和正向偏压扩散电流之和。低正向偏压下，复合电流占主导；较高偏压下，扩散电流为主。59大注入条件影响 正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近或超过该区多子浓度称为大注入条件。 如单边突变结p+-n结（指合金结和高表面浓度的浅扩散结，杂质浓度高，

15、向简并半导体靠近），正向电流主要是从p区注入n区的空穴电流，而由n区注入p区的电子电流可以忽略。大注入时p+-n结只考虑空穴扩散区内的情况。电注入的空穴浓度接近或超过n区多子浓度nn0ND，注入的空穴在n区边界处形成积累。它们向n区内部扩散时，在空穴扩散区内产生一个内建电场E，这个内建电场使空穴的运动加速。所以正向偏压V在空穴扩散区降落了一部分 60对p+n结加正向偏压时，电流电压关系可表为： 其中m在12之间变化，随外加正向偏压而定。在很低的正向偏压下，m2，势垒区的复合电流起主要作用；正向偏压较大时，m1，扩散电流起主要作用，大注入时m2，这时一部分正向电压降落在空穴扩散区的结果。 串联电

16、阻效应：在大电流时，还必须考虑体电阻上的电压降，这样势垒区上的电压降就更小，正向电流增加更缓慢。 6162633、PN结电容特性PN结呈现电容效应有两种电容效应势垒电容扩散电容64 势垒区的电场随p-n结外加正偏压变化，即空间电荷数产生变化，因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的变化主要在于载流子数量变化。在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。反之，当正向偏压减少时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。对于加反向偏压的情况，可作类似分析。总之，p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存

17、入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这种电容效应称为势垒电容。用CT表示。（1）势垒电容 CT65PN结外加反向偏置时，引起 空间电荷区体积的变化（相当电容的极板间距变化和电荷量的变化） CT = dQ/dv = CTO /(1 V/Vr)n 其中 CTO -外加电压 v=0 时的CT n - 系数（决定于材料的杂质分布，一般取1/21/3）。 Vr- - PN结内建电压66势垒电容CT原理（图）67扩散电容： 正向偏压时，有空穴从p区注入n区，于是在n区边界扩散区一侧一个扩散长度内，便形成了非平衡空穴和电子的积累，同样在p区也有非平衡电子空穴的积累。当正向偏压增加时

18、，由p区注入到n区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了n区的空穴积累，增加了浓度梯度，所以外加电压变化时，n区扩散区内积累的非平衡空穴也变化；同样， p区扩散区内积累的非平衡电子也要随外加电压变化。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为p-n结的扩散电容。用符号CD表示（2）扩散电容 CD68PN结外加正向偏置时，引起 扩散浓度梯度变化 出现的电容（电荷）效应。69扩散电容CD （图） 7071突变结势垒电容突变结势垒区中的电场、电势分布：p-n结势垒区耗尽层近似，势垒区为杂质全部电离，空间电荷区由电离杂质组成，n区有均匀施主杂质浓度NA，p区有均匀受主

19、杂质浓度ND。空间电荷密度:72势垒区宽度:电荷总量: 势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比，杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大，势垒区宽度主要向杂质浓度低的一边扩展。7374突变结势垒区内的泊松方程为:75根据势垒边界处电场为零条件，得:76电场强度在势垒中心达到最大 77电势分布函数（由电场方程的积分得到，考虑到平衡条件下 V(-xp)=0, V(xn)=VD,以及中心处电势连续性 ）突变结的势垒宽度xD ：利用在势垒中心电势连续性可得78由79有外加偏压时：单位面积电容为：80 对单边突变结pn，pn结来说，接触电势差VD随着低掺杂一边的杂质浓度的增加而升高；而

20、单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度增大而下降。势垒区几乎全部在轻掺杂的一边，因而能带弯曲主要发生于这一区域。则pn电容可简化为：818283突变结的特点：突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径；突变结势垒电容和电压的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一持性制作变容器件。此结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。84 电容表达式导出利用了耗尽层近似，这对于加反向偏压时是适用的。然而当p-n结加正向偏压时，一方面降低了势垒高度，使势

21、垒区变窄，空间电荷数量减少，所以电容比加反向偏压时大；另一方面，使大量载流子流过势垒区，它们对势垒电容也有贡献。因考虑这一因素，这些公式就不适用于正向偏情况下的电容计算。 一般正向偏压时的势垒电容近似计算：85线性缓变结电容 线性缓变结概念：对于较深的扩散结，在结附近其电荷分布为线性，可以近似作为线性缓变结。线性缓变结电容也采用耗尽层近似，则势垒区的空间电荷密度为：电势分布表达式：解泊松方程，利用结边界电场为零，结中心处电势为零条件86外加电场时：87单位截面电容的电荷量： 单位面积电容： 线性缓变结特点：势垒电容和结面积及杂质浓度梯度的立方根成正比，因此减小结面积和降低杂质浓度梯度有利于减小

22、势垒电容；势垒电容和电压的立方根成反比，增大反向电压,电容减小。势垒电容和电压关系，可用来测定杂质浓度及梯度分布。8889缓变结电荷、电场、电势、电势能分布图 90扩散电容概念:p-n结加正向偏压时，由于少子的注入，在扩散区内有一定数量的少子和等量的多子的积累，而且它们的浓度随正向偏压的变化而变化，从而形成了扩散电容。91扩散电容计算: 注入到n和p区非平衡少子浓度分别为：92扩散区内积分得到扩散区电荷积累量：93单位面积扩散电容:94单位截面积总的扩散电容为:95扩散电容特点:这里用的浓度分布是稳态公式，所以应用于低频情况，扩散电容随频率的增加而减小。扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在

23、大的正向偏压时，扩散电容便起主要作用。对单边突变结如p-n而言， np0pn0, CCDn964. p-n结击穿 概念 实验显示，对p-n结施加的反向偏压增大到某一数值VRR时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为p-n结击穿。发生击穿时的反向偏压称为p-n结的击穿电压。击穿现象中，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加。p-n结击穿机理： 雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿97PN结击穿特性（图）981、电击穿电击穿有两种机理机理可以描述： 雪崩击穿 齐纳击穿99特点如下： 低掺杂， PN结宽，正温系数常发生于大于7伏电压的击穿时（雪崩效应）（1）雪崩击穿100101雪

24、崩击穿: 在反向偏压下，流过p-n结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价带上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。从能带观点来看，就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对。102 载流子(电子和空穴)在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子空穴对。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流于的方式称为载流子的倍增效应。 由于倍增效应，使势垒

25、区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生p-n结击穿。这就是雪崩击穿的机理。 103（2）齐纳击穿特点如下： 高掺杂， PN结窄，负温系数，常发生于小于5伏电压的击穿时（隧道效应）104特殊情况在（ 57）V击穿发生时，两种击穿机理都有。温度系数可达到最小。1052、热击穿电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。热击穿会破坏PN结结构（烧坏）106隧道击穿(齐纳击穿) 概念：隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带引起的一种击穿现象。因为是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫齐纳击穿。107EgABq(VD+V)EcEVEgX108EcEVA

26、Bq(VD+V)Eg109机理： p-n结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，内建电场也超强，势垒区能带也越加倾斜，甚至可以使n区的导带底比p区的价带顶还低。内建电场E使p区的价带电子得到附加势能qEx；当内建电场E大到某值以后，p区价带中的部分电子所得到的附加势能qEx可以大于禁带宽度Eg。随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加倾斜，相同能量的p区的价带电子和n区的导带上电子水平距离x将变得更短。 当反向偏压达到一定数值，x短到一定程度时，量子力学证明p区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达n区导带中。110隧道几率是： 式中E(x)表示点x处的势垒高度，

27、E为电子能量,x1及x2为势垒区的边界。电子隧道穿过的势垒可看成为三角形势垒。一定的半导体材料势垒区中的电场愈大，或隧道长度x愈短，则电子穿过隧道的几率愈大。当电场E大到或x短到一定程度时，将使p区价带中大量的电子隧道穿过势垒到达n区导带中去，使反向电流急剧增大，于是p-n结就发生隧道击穿。这时外加的反向电压即为隧道击穿电压(或齐纳击穿电压)。111EgE112 在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。而杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构

28、变为主要的。113114115热电击穿 当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，上升速度很快。因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和流密度进一步增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。窄禁带宽度半导体在室温下出现热电击穿。1165. p-n结隧道效应 实验现象实验发现，对于两边都是重掺杂的p-n结的电流电压持性如图所示，正向电流开始就随正向电压的增加而迅速上升达到一个极大值IP称为蜂值电流，对应的正

29、向电压VP，称为峰值电压。随后电压增加，电流反而减小，达到一极小值Iv，称为谷值电流，对应的电压Vv。称为谷值电压。当电压大于谷值电压后电流又随电压而上升。在Vp到Vv这段电压范围内，随着电压的增大电流反而减小的现象称为负阻，这一段电流电压特性曲线的斜率为负的，这一特性称为负阻特性。两边都是重掺杂的p-n结常称为隧道结反向时，反向电流随反向偏压的增大而迅速增加。117 由重掺杂的p区和n区形成的p-n结通常称为隧道结。 这种隧道结制成的隧道二极管,由于它具有正向负阻特性而获得了多种用途。例如用于微波放大、高速开关、激光振荡源等。隧道结的这种电流电压特性，是与它的隧道效应密切相关的。118119

30、隧道结电流电压特性解释在隧道结中正向电流由两部分组成。一是扩散电流，随正向电压的增加而指数增加；正向偏压微小的情况下，扩散电流很小，以隧道电流为主。隧道电流和偏压关系：加偏压时：处于热平衡状态时n区和p区的费米能级相等，虽然n区导带和p区价带有相同的能量量子态，但费米能级以下占满，而费米能级以上为空，在n区的导带和P区的价带中出现具有相同能量的量子态。所以隧道电流为零。120121很小正向电压V，n区相对于p区的能级提供qV，p区费米能级以上有空量子态，n区费米能级以下有量子态被占据， n区的导带带中的电子可能穿过隧道到P区价带中产生从p区向n区的正向隧道电流，这时对应于特性曲线上的点1；12

31、2123继续增大正向电压，势垒高度不断下降，有更多的电子从n区穿过隧道到p区的空量子态，使隧道电流不断增大。 当正向电流增大到Ip时，这时p区的费米能级与n区导带底一样高，n区的导带和p区的价带中能量相同的量子态达到最多, n区的导带中的电子可能全部穿过隧道到p区价带中的空量子态去，正向电流达到极大值Ip这时对应干特性曲线的点2；124125增大正向电压，势垒高度进一步降低，在结两边能量相同的量子态减少使n区导带中可能穿过隧道的电子数以及p区价带中可能接受穿过隧道的电子的空量子态均减少，所以隧道电流减小，出现负阻，如特性曲线上的点3；126127正向偏压增大到Vv时，n区导带底和p区价带顶一样高，这时p区价带和n 区导带中没有能量相同的量子态，因此不能发生隧道穿