2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体整流现象

半导体整流现象

非平衡状态下的P－N结

平衡P－N结中，存在着具有一定宽度和势垒高度的势垒区，其中相应地出现自建电场；每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，P－N结中净电流为零。P－N结中费米能级处处相等。半导体整流现象

当P－N结两端有外加电压时，P－N结处于非平衡状态，势垒区及费米能级都相应发生变化。

由此可见，势垒区中，价带空穴浓度仅为P区多数载流子的10－10倍，而该处的导带电子浓度仅为N区多数载流子的1/50。一般情况下，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区和P区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层。即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。正向偏压P－N结势垒的变化

势垒区电场减弱，势垒高度下降，载流子扩散与漂移之间的平衡被破坏，扩散流大于漂移流，产生了：电子由N区越过势垒向P区的净扩散流，空穴由P区越过势垒向N区的净扩散流，形成非平衡载流子的电注入。这些扩散流形成了沿外加电场方向的净电流，且随着正偏压增加快速增加（e指数增大）。

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外加电压下，P－N结势垒区的变化及载流子的运动：

加正向偏压V(P区正，N区负)，由于势垒区的载流子浓度、电阻与P区、N区体内的相差很大，电压基本落在势垒区，产生了与自建电场相反的电场，使势垒区电场强度减小，这意味着势垒区空间电荷减少，势垒区宽度减小，同时势垒高度由eV0降低到e(V0-V)。P－N结伏安特性P－N结伏安特性反向偏压P－N结势垒的变化

势垒区电场增强，势垒高度升高,载流子扩散与漂移之间的平衡被破坏，漂移流大于扩散流。这时，N区边界处的空穴和P区边界处的电子分别被强电场驱向P区和N区，这些漂移流形成了沿外加电场方向的净电流。由于少子浓度低，而扩散长度基本不变化，所以反向偏压时少子浓度梯度也较小，基本不随反向偏压变化，因此反向偏压下，P－N结的电流较小并且趋于不变(反向饱和)。

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外加电压下，P－N结势垒区的变化及载流子的运动：

加反向偏压V(P区负，N区正)，产生了与自建电场相同方向的外加电场，使势垒区电场强度增强，这意味着势垒区空间电荷增加，势垒区宽度增大，同时势垒高度由eV0升高到e(V0＋V)。因此，P－N结具有非线性伏安特性，即具有整流特性。因为扩散区比势垒区大，准费米能级的变化主要发生在扩散区，在势垒区中的变化则忽略不计，所以在势垒区内，准费米能级保持不变。

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外加直流电压下，P－N结的能带图：

加偏压V，P－N结的N区和P区都有非平衡载流子的注入，在非平衡载流子存在的区域，必须用电子的准费米能级EFN和空穴的准费米能级EFP取代平衡时的统一费米能级EF。正向偏压P－N结的费米能级V>0,在空穴扩散区，电子浓度高，故电子的准费米能级EFN的变化很小，可看作不变；但空穴浓度很小，故空穴的扩散引起准费米能级EFP的变化很大。在电子扩散区，可作类似分析。空穴扩散区

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外加直流电压下，P－N结的能带图：

加反偏压V，在电子扩散区、势垒区、空穴扩散区中，电子和空穴的准费米能级EFN和EFP的的变化规律与正向偏压时基本相似，所不同的是EFN和EFP的相对位置发生变化。反向偏压P－N结的费米能级V<0,电子扩散区电子被抽走P－N结的形成和杂质分布：

在一块N型(或P型)半导体单晶上，用适当的工艺方法把P型(或N型)杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有N型和P型导电类型，在区域交界处形成P－N结。工艺方法：1）合金法：杂质分布为突变结合金法制造p-n结过程2）扩散法：扩散法制造p-n结过程杂质分布为缓变结3）离子注入法：(Ionimplantation)，杂质分布为突变结易造成晶格损伤，需用退