半导体物理-第六章-pn结

1、第六章pn结，本章主要内容，6.1 pn结及其能带图；6.2 pn结电流和电压特性；6.3 pn结电容；6.4结的击穿特性；6.5 pn隧道的特征；Pn相关器件，二极管，整流桥，主要用于电脑主板，硬盘驱动器，手机充电器，笔记本电脑的应急照明和背光照明。蓝紫色半导体，太阳能电池，第六章PN结，一个P型半导体和一个N型半导体在其界面结合形成一个PN结。PN结是各种半导体器件的核心，如结型晶体管和集成电路。6.1 Pn结及其能带图6.1.1 Pn结的形成和杂质分布pn结形成P型杂质掺杂在N型半导体上，在界面处形成pn结。高温熔融铝冷却后，在氮型硅片上形成高浓度磷型薄层。p型杂质浓度na，n型杂质浓度

2、ND，特征：界面浓度突变。受体杂质扩散到n型单晶硅晶片上形成pn结。杂质浓度从p逐渐变为n，这就是所谓的梯度结。杂质浓度梯度。6.1.2，PN结附近电离的受体和供体携带的电荷称为空间电荷(不动)。该区域是产生漂移电流的空间电荷区域。6.1.3。电子从高费米能级的氮区流向低费米能级的磷区，空穴从磷区流向氮区。EFn继续向下移动，EFp继续向上移动，直到EFn=EFp，最后，pn具有统一的费米能级ef，Pn结处于平衡状态。整个能带的相对位移与pn结空间电荷区的内置电场有关。随着内置电场(np)的增加，V(x)减小，电子势能q V(x)从n增加到p，p区的能带相对于n区整体上移。n区的能带相对于p区

3、整体下移。在没有统一的费米能级之前，Pn结的费米能级在任何地方都是相等的，这表明pn结达到了动态平衡，没有扩散或漂移电流流过。本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致。在动态平衡中，空穴电流密度为：对于平衡pn结，电流密度和费米能级之间的关系为零。因此，EF=常数。当电流密度恒定时，电场强度随载流子浓度大的位置变化很小，而电场强度随载流子浓度小的位置变化很小。6.1.4，VD称为pn结的接触电位差或内建电位差，qVD为pn结的势垒高度，平衡时pn结的费米能级处处相等，qVD=EFn-EFp，nn0和np0为平衡时N区和P区的电子浓度，qVD=EFn-EFp，在一定温度下掺杂浓度越高，VD越大；

4、ni越小，VD越大，势垒高度为6.1.5。当pn结处于平衡态时，取P区的电势为零，势垒区的一个点的电势为V(x)，X点的势能为E(x)=-qV(x)。对于非简并材料，X点的电子浓度为n(x)，第三章应用了平衡态导带载流子浓度的计算方法。X点的空穴浓度为0，pn0为平衡态N区的少数载流子浓度。当X=Xn，V(x)=VD，p(xn)=pn0，当X=-Xp，V(x)=0，p(-xp)=pp0。平衡时，pn结具有统一的费米能级，没有净电流1。在外加电压下，pn结势垒的变化和载流子的运动，以及外加的正向偏置电压主要在势垒区下降；施加的正向电场与内置电场相反，势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流

5、子浓度很大，电阻很小；现象：势垒区的电场降低，这降低了势垒区的空间电荷；载流子扩散流漂移流，净扩散流0；宽度减小；屏障的高度降低(从qVD到q(VD-V)。在正迁移下，N区的电子以不平衡状态扩散到P区。P区的空穴扩散到N区，非平衡的少数载流子(电子或空穴)与多重态连续复合，直到重新结合根据电流连续性原理，通过pp(或nn)任何接口的总电流是相等的。总电流=扩散电流漂移电流，扩散电流漂移电流，在反向偏置下，在不平衡状态下，施加的反向电场与内置电位场方向相同。现象：势垒区的电场增加，势垒区的空间电荷增加；宽度增加；屏障高度增加(从qVD到Q(VDV)；漂移电流扩散电流，少数载流子被提取或吸出：N区

6、边界nn处的空穴被势垒区的强场驱动到P区，而P区边界pp处的电子被驱动到N区。反向电流=nn区域中的少数载流子电流。2.外加DC电压下pn结的能带图，外加直流电压下P区和N区的非平衡少数载流子注入。必须使用准费米能级EFn和EFp来代替平衡态的统一费米能级。能带特征：在P区和势垒区，EFp是水平的，在空穴扩散区(NN到Lp区)是对角的；EFn在N区和势垒区是一条水平线，在电子扩散区(pp至Ln区)是一条对角线。EFp和Efn在扩散区是斜线的原因是：由于复合，有一个浓度梯度，电子和空穴的浓度逐渐降低，在正向偏置下的特性：P区和N区有自己的费米能级Efn和EfP；有一个净电流流经pn结；在正向偏压

7、下，势垒降低了Qv；qV=Efn-Efp。Efn位置高于EFP，反向偏置下pn结的能带结构和能带特性：EFn和EFP也有所偏离，但EFP位置高于EFn；6.2.2理想pn结模型及其电流和电压方程，理想pn结模型：(1)小注入；(2)突然耗尽层条件-施加的电压和接触电势差都落在耗尽层上，耗尽层的外部是电中性的，注入的少数载流子做纯扩散运动；(3)穿过耗尽层的电子和空穴电流是恒定的，忽略了耗尽层中载流子的产生和复合；(4)玻尔兹曼边界条件：在耗尽层的两端，载流子分布满足玻尔兹曼统计分布。1.注入聚丙烯的非平衡少数载流子浓度为：在聚丙烯边界，x=-XP，qv=efn-EFP，注入聚丙烯边界的非平衡少

8、数载流子浓度为，是电压的函数。同样，神经网络边界注入的非平衡少数载流子浓度是，非平衡少数载流子浓度是电压的函数。在稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程，在小注入时，n型扩散区Ex=0，连续性方程变为：方程的通解为：边界条件：X，pn()=pn0，X=xn，情况也是一样：正向偏置下两侧扩散区非平衡少数载流子的分布，讨论：1。当v为常数时，在x=xn和x=-xp之间的边界处，2。在反向偏置下，如果qVk0T，对于n区域，在x=xn时，在n区域内：xLp，2。在偏压下，耗尽层外的扩散区没有电场，空穴在X=Xn处扩散。忽略势垒区中的复合产生效应，通过pp界面的空穴电流密度为Jp(-xp)=通过nn界面

9、的空穴电流密度为Jp(xn)；通过pn结的总电流密度为j，j=jn (-XP) jp (-XP)，j=jn(-XP)jp(xn)，理想pn结的电压-电流方程也称为肖克利方程。3。PN结的单向导电性，在正向偏压下，电流密度随电压呈指数增加，在室温下，k0T=0.026V，在反向偏压下，Vk0T，反向电流密度恒定，与外加电压无关，-Js为反向饱和电流密度，4。温度对电流密度的影响，反向电流密度：正向电流密度：正向电流密度6.2.3影响pn结电流-电压特性偏离理想方程的各种因素。实验表明，理想的电流-电压特性方程与锗pn结在小注入下的实验结果吻合良好。但是它与硅pn结的实验结果相差很大。偏差：当正向

10、偏置电压为：正向电流较小时，理论值与实验值相差不大；当正向电流较大时，它具有指数形式。2.反向偏置引起的反向电流的理论值并不饱和，而是随着反向偏置的增加而略有增加，从而导致偏差。1.势垒区产生电流，势垒区产生速率等于平衡时的复合速率。当施加反向偏压时，势垒区中的电场增强。由于热激发，复合中心产生的电子空穴对在复合前被电场驱走。使势垒区产生复合率。产生额外的反向电流IG。假设净生成率为g，结面积a，势垒宽度XD，IG=qGXDA，势垒区中的净复合率，净复合率u=-g，因为IG=qGXDA，2。在势垒区中产生电流，在正向偏压期间，注入p区的电子与势垒区中n区的空穴复合。假设复合中心与本征费米能级重

11、合，让rp=rn=r，让势垒区n=p，总正向电流密度JF=扩散电流JFD复合电流Jr，m=2复合电流占优势，m=1扩散电流占优势，Jr JFD复合电流在低电压下占优势，JFDJr，扩散电流在高电压下占优势，3。大注入情况假设注入的空穴浓度pn(xn)非常大，并且N区多光子浓度nn0=ND。为了保持N区电中性，N区中的多光子相应地增加相同的量pn(xn)=n(x)。存在电子浓度梯度=空穴浓度梯度，这使得电子沿空穴扩散方向扩散。通过nn界面的电流=电子电流密度Jn空穴电流密度，概要：在高电压下，m=1，扩散电流起主要作用。电流-电压关系为6.3 pn结电容：当正向偏置电压增加时，势垒区减小。原因是氮区和势垒区的电子或空穴电离了施主或受主。这种效应相当于在势垒区“储存”电子或空穴。当正向偏置电压降低时，势垒区增加。原因是氮区中的电子或磷区中的空穴从势垒区中被引出，空间电荷的数量增加。效果：这相当于在势垒区“取出”电子或空穴。势垒区中的空间电荷的数量随着所施加的偏置电压而变化，这相当于电容器的充电和放电效应。2.扩散电容，当正向偏置时，空穴(电子)被注入到n(p)区，不平衡的少数载流子在势垒的边界积累。当正向偏置电压增加时，在势垒区边界积累的非平衡载流子增加；当正向偏置电压降低时，它相应地降低。由于正向