半导体物理与器件第七章

1、1995年，K. K. Ng在半导体器件指南一书中，定义了67种主要的半导体器件及其相关的110多个变种。然而，所有这些器件都只由以下的少数几种器件单元组成。,第七章 pn结 pn结的基本结构及重要概念 pn结零偏下的能带图 pn结空间电荷区的形成 pn结内建电势差和空间电荷区的内建电场 外加偏压下pn结空间电荷区的变化 反偏pn结电容势垒电容的概念 突变结与缓变结,pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结基本结构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的概念，是以后的学习

2、过程中会不断提到的，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本性质。 重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等 分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程,统计物理,能带理论,双极晶体管,pn结二极管,肖特基二极管,欧姆接触,JFET、 MESFET、 MOSFET、 HEMT,从物理到器件,7.1 pn结的基本结构,若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则会在P 型区和N 型区的交界面附近形成pn 结，它的行为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联。这种结构具有特殊的性质：单向导电性。PN 结

3、是许多重要半导体器件的核心。,PN结的制备方法： （1）合金法制备突变pn结； （2）扩散法制备缓变pn结； （3）外延、离子注入等；,N(x),x,xj,NA,ND,N(x),x,xj,NA,ND,n-Si,SiO2,n-Si,杂质扩散,n-Si,sub,p-Si,n-Si,pn结的空间电荷区和内建电场,浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,内建电场,阻止多子的进一步扩散,促进少子的漂移,动态平衡（零偏）,由于PN结两侧存在着电子和空穴的浓度梯度，因此电子和空穴将分别由N型区和P型区向对方区域扩散，同时在N型区中留下固定的带正电荷的施主离子，在P型区中则留下固定的带负电荷的受主离子。这个

4、固定的正负电荷区即为空间电荷区，空间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。 由于空间电荷区中的可动载流子基本处于耗尽状态，因此空间电荷区也称作耗尽区。,pn结指p型半导体和n型半导体形成的界面，显然该界面实际为包括整个空间电荷区在内的空间区域。而空间电荷区之外的部分，则和独立的掺杂半导体性质相同，不属于pn结的区域。,pn Vs. pn结二极管半导体物理：半导体器件,基本耗尽的意思是：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）,在热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）；n0p0=ni2成立；,7.2 零偏（热平衡

5、）pn结 p型半导体与n型半导体的能带图 pn结的能带图 内建电势差,Ec,Ev,EFi,EF,Ec,Ev,EFi,EF,在达到平衡状态的PN结空间电荷区中存在一个内建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差，从能带图的角度来看在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的高度为：,内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。 由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势垒区,对于平衡状态的pn结我们有：,参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：,参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：,注

6、意Nd、Na分别表示N区和P区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度,接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关。,对照：费米能级和掺杂以及温度的关系,电场强度,p,n,E,-xp,xn,eNd,eNa,内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程确定：,其中为电势，E为电场强度，为电荷密度，s为介电常数。 从图可知，电荷密度(x)为：,耗尽区假设,则p侧空间电荷区内电场可以积分求得：,边界条件：x=-xp时，E=0,相应，n侧空空间电荷区电场：,边界条件：x=xn时，E=0,p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：,-xp

7、,xn,eNd,eNa,-xp,xn,x=0,E,因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：,空间电荷区整体保持电中性,空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸,根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：,确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=xp处的电势为0，则可确定积分常数值C1和p区内的电势值为：,同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：,当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式可求出：,pp0,np0,nn0,pn0,-xp,xn,x=0,E,p,n,=0,=Vbi,电势和距离是二次函数关系，即抛物线关系,空间电荷区内的载流子浓度变化,显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出：

8、,空间电荷区宽度,p,n,xp+xn,由整体的电中性条件要求，我们已经知道：,将该式代入用电势公式求出的Vbi式，可得到：,例7.2,空间电荷区宽度与掺杂浓度有关,单边突变结：一侧高掺杂，而另一侧低掺杂的突变结,p+n或pn+,单边突变结空间电荷区主要向轻掺杂一侧扩展,单边突变结的势垒主要降落在轻掺杂一侧,热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差 内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强 因为是热平衡状态，p区、n区及空间电荷区内具有统一的费米能级 空间电荷区内的漂移电流和扩散电流向平衡，无宏观电流。 p、n两侧的空间电荷总数量相等，对外部保持整体的电中性 空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称为耗尽区； 空间电荷区内形成内建电场，表现为电子的势垒，因而又称为势垒区 空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关,这一关系给出了内建电势差在p、n