半导体器件与物理课件二

1、pn结的能带图平衡了pn结的特性、pn结的DC特性和pn结的特性，采用合金化、扩散和离子注入等制造工艺可以在一个半导体中获得两个不同掺杂的区域。P型和N型区域之间的冶金界面称为P-N结。双极型和金属氧化物半导体器件由一个或几个pn结组成，pn结是许多半导体器件的核心。因此，研究pn结的交流和DC特性是理解器件机理的基础。2.1、P-N结及其能带图、P-N结的形成，在N型(或P型)半导体单晶上，通过适当的工艺(如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等)将P型(或N型)杂质掺杂到其中。)，使得该半导体单晶的不同区域在它们之间的界面处分别具有n型和p型导电类型。将一小片铝置于N型单晶硅晶片上，加热到一

2、定温度形成铝硅熔体，然后降低温度，熔体开始凝固，在N型硅晶片上形成含高浓度铝的P型硅薄层，其与N型硅衬底之间的界面为P-N结(称为铝硅合金结)。通过氧化、光刻和扩散在N型单晶硅片上制备了pn结。杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定。如图所示，在N型硅单晶上生长一层二氧化硅，通过光刻和扩散将P型杂质扩散到N型硅单晶中，形成P-N结(也称为扩散结)。突变结和合金结的杂质分布如图所示。N型区的施主杂质浓度为均匀分布的ND，P型区的受主杂质浓度为均匀分布的NA。在界面处，杂质浓度从钠(在P型区)变为钕(在N型区)，因此称为突变结。假设pn结的位置在x=xj，突变结的杂质分布可以表示为实际的突变结，并且两侧

3、的杂质浓度有很大的不同。例如，氮区的施主杂质浓度为1016厘米-3，而磷区的受主杂质浓度为1019厘米-3。如图所示的杂质分布可以近似为突变结。渐变结、P-N结通过扩散法形成，杂质浓度从P区向N区逐渐变化，这通常称为渐变结，如图所示。如果pn结位于x=xj处，结中的杂质分布可以表示为：如果杂质分布可以用x=xj处的切线近似，则称之为线性渐变结，如图所示。此时，线性渐变结的杂质分布可以表示为：j是x=xj时切线的斜率，称为杂质浓度梯度。它取决于扩散杂质的实际分布，可以通过实验方法进行测量。然而，对于具有高表面浓度的浅扩散结，xj处的斜率j非常大，因此扩散结可以由突变结近似。具有高表面浓度的合金结

4、和浅扩散结通常可以被认为是突变结，而具有低表面浓度的深扩散结通常可以被认为是线性渐变结。综上所述，pn结能带图扩散，当半导体形成pn结时，由于结两侧的载流子浓度梯度，导致空穴从P区向N区扩散，电子从N区向P区扩散。空间电荷/空间电荷区，在P区中的空穴离开后，它们留下带负电荷的不可移动的电离受体，并且这些电离受体没有正电荷并且与它们保持电中性，因此负电荷区出现在P区靠近P-N结的一侧；同样，在pn结附近有一个由电离施主组成的正电荷区，这通常被称为空间电荷。它们存在的区域称为空间电荷区(也称为势垒区)和内建电场。空间电荷区中的这些电荷产生从N区到P区的电场，即从正电荷到负电荷，这被称为内建电场随着

5、扩散运动，空间电荷逐渐增加，空间电荷面积逐渐扩大；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动逐渐增强。在没有外部电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡，即多少电子已经从N区扩散到P区，同时多少电子在内建电场的作用下已经返回到N区。因此，电子的扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反，从而相互抵消。对于洞来说，情况完全相似。因此，没有净电流流过pn结，也就是说，净电流为零。此时，空间电荷量不变，空间电荷区不继续扩展，并保持一定的宽度，同时存在一定的内建电场。一般来说，这种情况下的pn结在热平衡中称为pn结(简称平衡pn结)。2.2、平衡pn结、平衡pn结能带图、N型和P型半导体能带图，其中E

6、Fn和EFp分别代表N型和P型半导体的费米能级。当两个半导体结合形成P-N结时，根据费米能级，电子将从高费米能级的N区流向低费米能级的P区，而空穴将从P区流向N区。因此，EFn继续向下移动，EFp继续向上移动，直到EFn=EFp。此时，pn结中存在统一的费米能级EF，pn结处于平衡状态，其能带图如图所示。能带相对移动的原因是pn结空间电荷区的内建电场。当计算平衡pn结中的载流子浓度时，如果P区的电势为零，那么势垒区中的点X的电势V(x)为正，它越靠近N区的点，其电势越高，并且势垒区的边界xn处的N区的最高电势为VD，如图所示。在图中，xn和-xp分别是n区和p区的势垒边界。对于电子，相应的P区

7、的势能为0，其比N区的势能高qVD，E(xn)=Ecn=-qVD。势垒区中x点的势能为E(x)=-qV(x)，比n区高qVD-qV(x)。nn0 N区平衡多数载流子的电子浓度，np0 P区平衡少数载流子的电子浓度，pn0 N区平衡少数载流子的空穴浓度，pp0 P区平衡磷-氮势垒区的电子和空穴浓度分布。当x=-xp，V(x)=0，n (-XP，V(x)=0，p(-xp)=pp0时，势垒区两侧相同载流子的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系。耗尽层接近室温。对于大多数势垒区，尽管杂质被电离，但载流子浓度比氮和磷区的大多数载流子浓度小得多，后者似乎已经耗尽。因此，势垒区通常被称为耗尽层，也就是说，它被认

8、为是。势垒区和接触电势差。从图中可以看出，能带在pn结的空间电荷区弯曲。当电子从低势能的N区移动到高势能的P区时，它们必须克服这个势能“高斜率”才能到达P区。同样，空穴在从P区到达N区之前，必须克服这个势能“高斜率”。这种势能“高斜率”通常被称为pn结的势垒，因此空间电荷区也被称为势垒区。从图中还可以看出，p区的导带和价带能量比n区的高。VD被称为pn结的接触电位差。在热平衡条件下，接触电位差、线性梯度结、突变结、实践结，并简单描述了P-N结的制造方法与杂质分布之间的关系。什么是空间电荷区？什么是障碍区？什么是耗尽层？内置电场是如何形成的，它的方向是什么？尝试写出突变结和线性渐变结的杂质分布表

9、达式。尝试总结平衡态下的pn结特性。突变结的杂质分布，n区例如，如果NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则xp比xn大100倍。因此，势垒区主要向杂质浓度低的一侧扩散。突变结的电场分布在平衡突变结势垒区，电场强度是位置x的线性函数。电场方向为x的负方向，从n区指向p区。在x=0时，电场强度达到最大值，突变结的电位分布为抛物线。突变结的势能(能带图)，因为V(x)代表X点的势能，而-qV(x)代表X点的电子势能，所以P-N结势垒区的能带如图所示。可以看出，势垒区的能带变化趋势与势能变化趋势相反。2.3、pn结、平衡pn结、不平衡pn结、具有一定宽度和势垒高度的势垒区的DC特性；内置电

10、场是恒定的；净电流为零；费米能级处处相等。当在pn结两端施加电压时，pn结势垒的变化和载流子在所施加的DC电压下的移动和正向偏置，以及pn结加上正向偏置电压(即，P区连接到电源的正极，N区连接到负极)， 势垒区域外的P区域和N区域中的载流子浓度和电阻非常高，因此所施加的正向偏压基本上下降。正向偏压产生与势垒区域中的内置电场方向相反的电场，从而削弱势垒区域中的电场强度，这表明空间电荷相应地减少。 因此，势垒区域的宽度也减小，并且势垒高度从qVD减小到q(VD-V)。势垒区的电场削弱了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流。因此，当施加正向偏压时，产生从N到P

11、的电子和从P到N的空穴的净扩散电流。电子通过势垒区扩散到P区，在边界xp处形成电子积累，这成为P区中的不平衡少数载流子。结果，xp处的电子浓度高于P区内的电子浓度，形成从xp到P区内的电子扩散流。非平衡少数载流子的扩散边在P区与空穴复合，并且在扩散长度距离后全部复合。这个区域叫做扩散区。在一定的正向偏压下，单位时间内从N区到xp区的非平衡少数载流子浓度是一定的，并在扩散区形成稳定的分布。因此，当正向偏置电压恒定时，在xp处的P区中将存在恒定的电子扩散流。同样，在边界xn处有一个恒定的空穴扩散流。n区的电子和p区的空穴是多数载流子，它们分别进入p区和n区后在p区和n区形成不平衡的少数载流子。当正

12、向偏压增加时，势垒降低，这增加了进入P区的电子流和进入N区的空穴流。不平衡载流子由于外部正向偏置进入半导体的过程称为不平衡载流子的电注入。在假设通过势垒区的电子电流和空穴电流保持不变的情况下，通过pn结的总电流是通过边界xp的电子扩散电流和通过边界xn的空穴扩散电流之和。当用反向偏压V (V0)施加P-N结时(即，N区连接到电源的正极，P区连接到负极)，势垒区中由反向偏压产生的电场与内置电场方向相同，势垒区中的电场增强，势垒区变宽，空间电荷的数量增加，势垒高度从qVD增加到q(VD-V)。势垒区电场的增强破坏了载流子扩散和漂移运动之间的原有平衡，增强了漂移运动，使漂移流大于扩散流。此时，在n区

13、域的边界xn处的空穴被势垒区域的强电场驱动到p区域，而在p区域的边界xp处的电子被驱动此时，少数载流子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流不随电压变化。因此，在反向偏压下，pn结的电流很小并且趋于恒定。pn结在外加DC电压下的能带图(自学)，理想的pn结假设条件，为了便于讨论pn结的伏安特性，合理地假设pn结满足以下条件：(1)小注入条件(即注入的少数载流子浓度远小于平衡的多数载流子浓度)；(2)突变耗尽层条件：外加电压和接触电势差都落在耗尽层上，注入的少数载流子在P区和N区是纯扩散运动；(3)穿过耗尽层的电子和空穴电流是恒定的，并且没有考虑耗尽层中载流子的产生和复合。4-1。当正向偏置电压

14、被施加到P-N结时，由所施加的电压形成的电场的方向与内置电场相反/一致，这导致势垒区中的总电场强度(增加/减少)，这表明空间电荷量(增加/减少)此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动(大于/小于)扩散运动，形成(净扩散/净漂移)，使得载流子在势垒区边界处的浓度(大于/小于)在区内。因此，在N区(从N区的势垒边界到N区的内部/从N区的内部到N区的势垒边界)和P区(从P区的势垒边界到P区的内部)4-2中形成(电子/空穴)的扩散/漂移。当反向偏置电压被施加到P-N结时，由所施加的电压形成的电场的方向与内置电场相反/一致，这导致势垒区域的总电场强度(增加/减少)，这表明空间电荷量(增加/减少)，即，

15、此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动(大于/小于)扩散运动，形成(净扩散/净漂移)，使得载流子在势垒区域的边界处集中(大于/小于)在内部因此，在N区(从N区的势垒边界到N区的内部/从N区的内部到N区的势垒边界)和P区(从P区的势垒边界到P区的内部)中形成(电子/空穴)的扩散/漂移。当P-N结满足上述假设时，其DC特性可分为以下四个步骤。(1)根据准费米能级计算注入势垒区边界xn和xp的非平衡少数载流子浓度；(2)以注入xn和xp边界的非平衡少数载流子浓度为边界条件，求解扩散区载流子的连续性方程，得到非平衡少数载流子在扩散区的分布；将不平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，计算扩散电流密度，进而计算少数载流子的电流密度；将两个载流子的扩散电流密度相加，得到理想pn结模型的电流-电压方程(省略了详细的分析过程)。JS，理想的pn结伏安特性表达式(电流-电压关系)，Ln和l P分别代表电子和空穴的扩散长度，2-14，pn结具有单侧导电性，在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数