第10讲 P-N结
P-N结的基本知识——LED知识(二)
Ｎｏ ５， ０ １ ｍ ｏ ｔ ｌ ． ８ ． ２ １ ｎ ｈｙ Ｎｏ ５
ｐ—Ｎ 结 的 基 本 知 识
ＬＥＤ； 识 ｝ ； 口
施 克 孝
（ ） 二
（ 中广 国际 建 筑 设 计研 究 院 ，北 京 １０ ３ ） ００ ４ 【 摘 要 】 介 绍 了ＰＮ结 的 基 本知 识 。 — 【 键词 】 硅 原 子 ；半 导 体 ；Ｐ 半 导体 ；Ｎ型 半 导体 ；ＰＮ￥ 关 型 － ￣ 文章 编 号 ： １ ． ６ ￣ｉｓ． ７．２ ９ ０ １ ５ ０ ０３ ９ ． ｎ１ ４８３ ． １． ． ５ ９ ｓ ６ ２ ００
Ｂａ ｉ ｏ ｌｄ ｅ ｏ Ｎ Ｊ ｎ ｔｏ ｓｃ Ｋｎ ｗ ｅ ｇ ｆＰ ｕ ｃ ｉ ｎ Ｐ ｒ ｌＣｏ ｃ ｐ ｆＬ ａ ｔＪ ｎ ｅ ｔｏ ＥＤ
Ｓ — ｉｏ ＨＩＫｅ ｘ ａ
（ Ｒ ＶＡ ｃ ｉｃ ｒ ｓ ｎＩｓ ｔｔ Ｂｅｉｇ１０ ３ ， ｈｎ） Ｃ Ｔ ｒｈｔ ｔ ｅ ｉ ｔ ｅ ｉｎ ０ ０ ４ Ｃ ｉａ ｅ ｕ Ｄｅ ｇ ｎ ｉ ， ｊ ｕ ［ ｂｔ ｃ Ｂ ｓ ｏ ｌｄｅｏ Ｐ ｕ ｃｉ ｓｎ ｏ ｕｅ ｉｐｐ ｒ Ａ ｓ ａｔ ａｉｋ ｗ ｅｇ ｆ Ｎｊｎｔ ｎｗａ ｔ ｄ ｃｄｉ ｔ ｓ ａ ｅ ｒ ］ ｃｎ ｏ ｉｒ ｎｈ ． ［ ｙＷｏｄ ］ｓ ｉ ｎａｏ ｓｍｉｏｄ ｃｏ； ｐ ｅ ｃｎ ｕｔｒＮ ｔ ｅｓｍｉ ｎ ｕ ｔｒＰ ｊｎｔ ｎ Ｋｅ ｒｓ ｉｃ ｍ；ｅ ｃ ｎｕ ｔｒＰｙ ｅ ｍｉｏ ｄ ｃ ； ｐ ｃ ｄ ｃｏ； Ｎ ｃ ｏ ｌｏ ｔ ｔ ｓ ｏ ｙ ｅ ｏ ｕ ｉ
核的 束缚力 ，成 为自 由电子 。如图３ 所示 ，硅原 子 （ ）的 空穴 ”。 １ １ 个价 电子 成为 自 由电子 ，这 个 电子就 失 去了价 电子的连
第十讲 域上多项式环
解：x2－1在Z8内的所有根为：1，3，5，7。
定义4 如果R上多项式f(x)在R内无解，则称多项式f(x)在 R上不可约。
二．域上的多项式环 设f(x)=a0＋a1x＋a2x2＋…＋anxn是含有未定元x的多项式，
其中系数ai取自某一个域F，则称f(x)是域F上的多项式。
用F[x]表示系数在域F上的全体多项式的集合。 定理3：F[x]对多项式加法和乘法做成一个整环。
得的余式。
例3：设f(x)=x3＋x2＋7，g(x)=2x2＋7，分别在Q[x]和 Z11[x]中，求用g(x)除f(x)的商q(x)和余式r(x)。
例4：在F2上 f(x)=
x8 x4 x3 x 1，g(x)= x7 x5 x4 x2 x
u v 0 1 q
求u(x)和v(x)，使得(f(x)，g(x) )=u(x)f(x)+v(x)g(x)。
例4：设Z[x]={a0＋a1x＋a2x2＋…＋anxn | aiZ，n≥0为整 数}，则Z[x]是系数为整数的一切x的多项式所组成的集
合，Z[x]关于多项式的加法与乘法做成一个环。
一般地，设A是一个数环，A[x]表示系数属于A的一
P
P P P
P
1＋ P x＋ P 1 ＋ x＋ P
P
x＋ P 1 ＋ x＋ P 1＋ P
P
1 ＋ x＋ P 1＋ P x＋ P
作业： 1．在Z2[x]中，设f(x)=x7＋x5＋x4＋x3＋x＋1，g(x)=x3＋x＋ 1，计算：f(x)＋g(x)，f(x)－g(x)，f(x)g(x)及用g(x)除f(x) 的商q(x)和余式r(x)。 2．在Z10={0，1，2，…，9}中，求f(x)=2x2＋4x＋4的根。 3．写出Z2[x]/（x2＋1）的加法和乘法的运算表。
第10讲(OLED)
Be系螯合物
♦ 高亮度： – 18,000cd/m2 ♦ 问题： – 稀有金属 – 剧毒
CdSe纳米晶体—高分子有机材料
♦ 将CdSe（硒化镉）纳米晶溶于二甲苯溶
剂
1. 直接涂布于ITO之上 2. 先在ITO上涂布PPV，之后涂布CdSe涂层
♦ 涂层厚度： – CdSe：几十纳米 – PPV：～100nm
积层型OLED的结构
（－）
♦ ITO：
Indium Tin Oxide ，此 玻璃为LCD 制造所用
（＋）
OLED的发光过程
♦ 电子和空穴从阴、阳极向有机物注入； ♦ 在电场作用下电子、空穴在有机物中迁
移； ♦ 迁移的电子和空穴相遇结合产生激子； ♦ 激子发生迁移； ♦ 由激子激发产生发光。
有机分子的激发—辐射过程
几个典型 空穴传输 材料结构
电子传输材料
♦ PBD ♦ OCD-7 ♦ TAZ ♦ Alq（兼作发光材料）
OLED中的电子传输材料与电 子感光材料的性能同异
1. 相同：对于电子有一定的传输能力（后
者要求高）
2. 相异： ♦ 成膜性好，易于加工 ♦ 稳定性好，不易与发光层反应生成激基复 合物
载流子传输材料的其它判据
对于载流子传输材料的基本要求
♦ 易于由电极注入载流子 ♦ 易于向发光层传输、注入载流子 ♦ 能够阻挡发光层传送的载流子 ♦ 不能传递发光层的激发能量 ♦ 不能与发光层形成激基复合物(exciplex) ♦ 用真空蒸发法易于形成致密薄膜
几种常用的空穴传输材料
♦ PVK ♦ 三苯甲烷系列化合物 ♦ 氧化二偶氮系列化合物 ♦ 吡唑啉系列化合物 ♦ 联氨系列化合物 ♦ TPD ♦ 星状物
关于OLED的内部量子效率
半导体光电子学第2章_异质结
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能 级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间 电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯 曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在 交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
一、非平衡状态下的pn结 1、外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动。
正向偏压
P-N结加正向偏压V （即P区接电源正极，N区接负极）
势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N 区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本 降落在势垒区。
正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而 减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故 势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N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P-N结空间电荷区中存 在内建电场的结果。
由于整个半导体处于 平衡状态，因此在半 导体内各处的Fermi 能级是一样的。可以 看到，这时由于势垒 的存在，电子和空穴 也没有机会复合
如果一个半导体的两端加一个电压， 由于电场的作用，使得能带整体沿 着电场方向倾斜。电子和空穴的势 能也发生变化，电子势能逆着电场 方向降低，而空穴势能顺着电场方 向降低。所以电子和空穴向两个相 反方向移动。
第十讲 三相桥整流电路的有源逆变
第十讲 三相桥整流电路的有源逆变工作状态➢逆变和整流的区别：控制角a 不同 ▪0<a < p /2 时，电路工作在整流状态 ▪π /2< a < π 时，电路工作在逆变状态图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形➢可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 •把α > π /2时的控制角用π- α= β 表示，β 称为逆变角•而逆变角β和控制角α的计量方向相反，其大小自β =0的起始点向左方计量 ➢三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图2-46所示 ➢有源逆变状态时各电量的计算：U d = -2.34U 2cos β = -1.35U 2L cos β （2-105）输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即➢每个晶闸管导通2p /3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流i d 的脉动）∑-=R E U I Md d dd VT I I I 577.03==从交流电源送到直流侧负载的有功功率为➢当逆变工作时，由于E M 为负值，故P d 一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。
在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为9.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制➢逆变失败（逆变颠覆）——逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流1. 逆变失败的原因（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通 （3）交流电源缺相或突然消失.（4）换相的裕量角不足，引起换相失败图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响➢ 换相重叠角的影响：当β >γ 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。
如果β <γ 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT 2）会关断，而应关断的晶闸管（VT 1）不能关断，最终导致逆变失败。
第一章pn结
I0
A
qDp pn0 Lp
qDn
n
0 p
Ln
V kT ln( I 1) q I0
p-n结正向电流随外加电压呈指数关系上升。
对于不同材料、不同掺杂浓度的p-n结，I0值可能会相
差很大。定义:当p-n结(单位面积)的正向电流达到0.1mA时 所对应的外加正向电压为该p-n结的正向阈值电压，或称门
•理论与实验结果的偏离 •势垒复合电流 •大注入效应 p-n结直流特性的理论分析
17
§1.2 p-n结的直流特性
二、反向p-n结
1 反向p-n结的能带与势垒
2 p-n结的反向抽取作用与准费米能级
3 反向p-n结边界少子浓度及两侧少子浓度分布
4 p-n结的反向扩散电流
5 势垒产生电流
6 表面漏电流 三、温度对p-n结电流、电压的影响
x'
Δp(x)
qv
pn0(e kT
x
1 )e Lp
Lnxp xn Lp
00
x
qv
x'
Δn(x') n0p(e kT 1 )e Ln
pn(x)
qv
pn0(e kT
x
1 )e Lp
pn0
qv
x'
np(x') n0p(e kT 1 )e Ln n0p
28
正向p-n结电流成分转换
流子的数量
pp xp nn xn eqVD V kT pn xn np xp
25
4 正向p-n结电流-电压公式
非平衡少子浓度分布公式 电流成分的转换 正向电流公式 正向阈值电压 关于正向电流公式的讨论
p-n结的显示与结深的测量
实验 p-n 结的显示与结深的测量在用平面工艺制造晶体管和集成电路中，一般用扩散法制作p-n 结。
由于扩散杂质与外延层杂质的类型不同，所以在外延层中某一个位置，其掺入杂质浓度与外延层杂质浓度相等，从而形成了p-n 结。
将p-n 结材料表面到p-n 结界面的距离称为p-n 结结深，一般用X j 表示。
由于基区宽度决定着晶体管的放大倍数β、特征频率f T 等电参数，而集电结结深X jc 和发射结结深X je 之差就是基区宽度，因此必须了解并掌握测量结深的原理和方法。
测量结深的方法有磨角法、滚槽法，也可以采用阳极氧化剥层法直接计算得出。
本实验采用磨角法。
本实验的目的是学会用磨角器磨角法制作p-n 结，采用电解水氧化法显示p-n 结；并利用金相显微镜测量结深。
一、实验原理在测量结深时，首先要对p-n 结表面进行染色显示，以明确p 区和n 区的界面位置。
本实验采用电解水氧化法显示p-n 结。
该方法简单方便、容易掌握、实验效果好，最大的优点是对同一样片可反复氧化显示，直至清晰满意。
在此，首先介绍电解水氧化法显示p-n 结的原理，然后再介绍用磨角法测量结深的一般过程。
1．电解水氧化法显示p-n 结的原理水图 30.1电解水氧化法显示p-n 结的实验装置如图30.1所示。
把经过磨角暴露p-n 结的硅片接在电解水电路的阳极上，并将需要显结的那一部分硅片浸于水中，在水溶液中，由于水分子电离生成一定浓度的H +离子和OH -离子H 2O →H ++OH -当电路接通时，在阳极硅片上放电的同时生成了二氧化硅，其反应方程为 4OH -+Si →SiO 2+2H 2O这是一个电化学反应过程—阳极氧化，随着电解电压的增高，水分子激烈地被电离，在阳极表面不断有氧气生成。
经电解水氧化后，阳极硅片上的n 区和p 区分别生长了厚度不同的SiO 2薄膜，由于SiO 2薄膜厚度不同，所以呈现出的颜色也不同，因此在显微镜下就能清楚地看到n 区、p 区及其分界面p-n 结的位置。
第2章 P-N结
xj 0 x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
图 2.2 突变结与线性缓变结
第二章 P-N结
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
n
E
扩散 q 0
p
EC
n
漂移
EC EF EV
p
扩散 漂移
EF EV
n
EC EF Ei EV
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
8. 热平衡PN结能带图。 画能带图的依据： (1) 费米能级恒定。于是N侧中性区费米能级EFn相 对P侧中性区费米能级向下移动EFn-EFp。 (2) N侧各个能级（EC、EV及真空能级E0）与EFn平 行地向下移动EFn-EFp。 (3) 在空间电荷区，真空能级连续。除费米能级 外，各个能级与真空能级平行。
2.1 热平衡PN结
小结
6. 势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒qψ 0，P区 空穴进入N区也需要克服势垒qψ 0。于是空间电荷 区又叫做势垒区。
7.
中性区：PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。 在杂质饱和电离情况下，中性区自由载流子浓度 与杂质浓度相等，不存在电场。
2.1 热平衡PN结
小结
Nd n VT ln ni
（2-5）
P型中性区，令（2-4）中Nd=n=0,代到（2-2b）, P型中性区的电势 Na
p VT ln
ni
（2-6）
N型中性区与P型中性区之间的电势差为
0 n p VT ln
Nd Na ni2
（2-7）
2.1 热平衡PN结
小结
方法二:(费米能级恒定) 费米能级恒定，热平衡PN结具有统一费米能级。 形成PN结，费米能级恒定要求N区费米能级相对P区 费米能级下降，则原费米电势差即PN结中N型与P型 中性区间电势差 0 。
半导体器件物理-p-n结
EC EF EV
漂移 扩散
EC EF
扩散
EV
漂移
（b）热平衡时，在耗尽区的电场及 p-n结能带图
图3.4
热平衡状态下的p-n结
平衡费米能级(equilibrium Fermi levels) ： 在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流 经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场 造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即
耗尽区(abrupt junction)
为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑 两种重要的例子，即突变结 (abrupt junction) 和线性缓变 结(1inearly graded junction)． 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n 结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然 变换来近似表示．
热平衡状态下的p-n结
当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大 的浓度梯度，载流子会扩散．在 p侧的空穴扩散进入 n 侧，而 n 侧的电子扩散进入p侧． E 当空穴持续离开 p 侧，在结 nN － 未能 n p p 附近的部分负受主离子 A 够受到补偿，此乃因受主被固定 在半导体晶格，而空穴则可移动 漂移 EC EC EC EF ．类似地，在结附近的部分正施 扩散 +在电子离开n侧时未能 主离子 N EC D EF EF EV EF 得到补偿．因此，负空间电荷在 EV EV 接近结 p 侧形成，而正空间电荷 扩散 在接近结 n 侧形成．此空间电荷 EV 区域产生了一电场，其方向是由 漂移 正空间电荷指向负空间电荷，如 (a) 形成结前均匀掺杂p型和n型半导体 （b）热平衡时，在耗尽区的电场及 p-n结能带图 图上半部所示．
第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应第5章导电物理章5.1 概述 5.2 材料的导电性能 5.3 金属电导 5.4 半导体物理 5.5 超导物理1/ 315.4 半导体物理5.4.1 5.4.2 5.4.3 半导体与p-n结半导体的物理效应能带理论在半导体中的应用---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 5.4.2 半导体的物理效应 5.4.2.1 余辉效应 5.4.2.1 发光二极管5.4.2.1 激光二极管 5.4.2.1 光伏特效应3/ 315.4.2.1余辉效应光致发光效应价带的电子受到入射光子的激发后，价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。
会跃过禁带进入导带。
如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应荧光效应。
光效应，也称为荧光效应。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 图5.18 荧光产生原理 (a) 金属金属; (b) 半导体5/ 31光致发光现象不会在金属中产生。
光致发光现象不会在金属中产生。
第二章 p-n结
第二章p-n结第二章p－n结1.pn结2.平衡pn结3.非平衡pn结4.pn结击穿1.pn结定义：采用扩散、合金、离子注入等制造工艺，可以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这种p型区和n型区之间的边界称为pn结。
1.pn结几种pn结的制备方法：（a）合金法（b）固态扩散法（c）平面工艺（d）离子注入双极型器件1.pn结1.pn结MOS器件第二章p－n结1.pn结2.平衡pn结3.非平衡pn结4.pn结击穿2.1空间电荷区和接触电势差2.2空间电荷区的电场和电位2.1空间电荷区和接触电势差几个概念：空间电荷区耗尽近似 准中性近似 自建电场pn 结中n 区半导体中的电子比p 区多得多，电子就由n 区向p 区扩散，在p －n 结边界的n 型侧留下带正电荷的施主离子；同样，空穴将从p 区向n 区扩散，在p －n 结边界的p 型侧留下带负电荷的受主离子，p －n 结交界面两侧不再呈现电中性，出现带正、负电荷的区域，称为空间电荷区。
2.1空间电荷区和接触电势差空间电荷区2.1空间电荷区和接触电势差耗尽近似1.可动载流子全部耗尽，可动的多数载流子浓度在耗尽区边缘与掺杂浓度相等2.除了耗尽区，电荷密度都等于零3.耗尽区的电荷密度等于离化的杂质浓度2.1空间电荷区和接触电势差准中性近似在空间电荷区以外的p－n结区域，一般室温情况下，杂质可认为完全电离，并且多数载流子的分布和杂质分布相差不大，这样的半导体区域几乎是中性的，或者称为准中性区。
2.1空间电荷区和接触电势差自建电场空间电荷区中的电场方向由n区指向p区，称为pn结的自建电场。
2.1空间电荷区和接触电势差分离的p型半导体和n型半导体的能带结构2.1空间电荷区和接触电势差pn结的能带结构第二章p－n结1.pn结2.平衡pn结3.非平衡pn结4.pn结击穿2.1空间电荷区和接触电势差2.2空间电荷区的电场和电位2.2空间电荷区的电场和电位平衡pn结电荷密度εx (=)2.2空间电荷区的电场和电位平衡pn结电场强度2.2空间电荷区的电场和电位平衡pn结电势分布第二章p－n结1.pn结2.平衡pn结3.非平衡pn结4.pn结击穿3.1非平衡pn结3.2pn结势垒电容3.3pn结伏安特性3.4势垒区复合和大注入3.5pn结扩散电容3.1非平衡pn结平衡pn结能带图3.1非平衡pn结外加电压下pn结能带图3.1非平衡pn结外加电压下pn结电荷、电场和电势的变化3.2pn结势垒电容势垒电容的形成：当p－n结上外加电压发生变化时，势垒高度相应增大或减小，这就要求p区的空穴和n区的电子流入或流出空间电荷区，以保证空间电荷区为耗尽，其余区域为准中性，这种载流子的流入流出就相当于给空间电荷区“充放电”，从而形成电容效应。
第二章P-N结讲解学习
展，保持一定的宽度，同时存在一定的内建电场。一般 在这种情况下的P-N结称为热平衡状态下的P-N结（简称 平衡P-N结）。
半导体器件物理
平衡P-N结的能带图
第二章 P-N结
N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型 和P型半导体的费米能级。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
半导体器件物理 2.2 平衡P-N结
第二章 P-N结
随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电
荷区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂 移运动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的 扩散和漂移最终达到动态平衡，即从N区向P区扩散过去 多少电子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返 回N区。因而电子的扩散电流和漂移电流的大小相等，方 向相反，从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因 此没有净电流流过P-N结，即净电流为零。
第二章 P-N结
扩散法
在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散 等工艺制得P-N结。其杂质分布由扩散过程及杂 质补偿决定。如图所示在N型硅单晶上，生长一 层SiO2，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入N型硅 单晶中，形成P-N结（亦称之为扩散结）。
半导体器件物理
突变结
第二章 P-N结
合金结的杂质分布如图所示，N型区中施主杂质浓度为 ND，而且是均匀分布的，P型区中受主杂质浓度为NA，也是 均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从NA（P型区中）突变 为ND（N型区中），故称之为突变结。
xj处的斜率αj非常大，这时扩散结可 用突变结来近似。
半导体器件物理
综上所述
第二章 P-N结
合金结和高表面浓度的浅 扩散结一般可认为是突变结， 而低表面浓度的深扩散结一般 可认为是线性缓变结。
八年级物理下册同步讲义第10讲-功和功率学生版(知识点、例题、答案与解析)
初二春季讲义功和功率学生姓名：上课时间：知识点1．功1．功：如果一个力作用在物体上，物体在这个力的方向移动了一段距离，我们就说力对物体做了功．2．做功的两个必要因素：作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离．3．计算公式：W Fs，功的单位：J（焦耳）4．不做功的几种情况：A．物体受到力的作用，但物体没有移动，这个力对物体不做功．如小孩搬大石头搬不动．B．由于惯性保持物体的运动，虽有通过的距离，但没有力对物体做功．如冰块在光滑水平面上运动．C．当物体受到的力的方向与物体运动方向垂直时，这个力对物体不做功．如提着重物在水平地面上行走．甲、乙图是力做功的实例，丙、丁图是力不做功的实例5．功的原理（1）实验证明：使用机械时，人们所做的功，都不会少于直接用手所做的功．人们使用机械的目的，一是为了省力，二是为了省距离，三是为了操作方便——改变力的方向，但使用任何机械都不省功．这个结论叫做功的原理．（2）功的原理是能量守恒定律的一种表现形式，是一个普遍的结论，对任何机械都适用，但必须满足物体是匀速运动的．这个原理平时可通俗地解释为；利用机械使物体匀速运动时，动力做的功等于克服阻力做的功．（3）利用功的原理推导杠杆平衡条件．如图，设动力为F1，动力臂为L1；阻力为F2，阻力臂为L2．在力作用下，杠杆由AB位置匀速转到CD位置，则杠杆的A端在F1作用下下降了h1，知识点睛功和功率动力做功111W F L =⋅；B 端克服阻力F2的作用升高了h2，克服阻力做功222W F L =⋅，由于功的原理 12W W =即1122F h F h ⋅=⋅ 注意到ΔΔOCM ODN :，有1122h L h L =．由此可得122211F h L F h L ==．【例1】 如图所示的四种情景中，人对物体做功的是（ ）【例2】 以下几种情况中，力对物体做功的有（ ）A ．人用力提杠铃，没有提起来B ．沿着斜面把汽油桶推上车厢C ．用力提着水桶水平移动2米，水桶离地面高度不变D ．物体在光滑水平面上匀速前进二米【例3】 在举重比赛时，一运动员在第一阶段把150kg 的杠铃很快举过头顶，第二阶段使杠铃在空中停留3s 。
第五章-P-N结
3点—隧道电流 减少,出现ห้องสมุดไป่ตู้阻
4点--隧道电流等 于0
5点—反向电流 随反向电压的 增加而迅速增 加
§ 5 p-n结的光生伏特效应
(1) p-n结的光生伏特效应 (2) 光电池的伏安特性
★ p-n结的光生伏特效应
适当波长的光, 照射到非均匀半导体上,由 于内建场的作用,半导体内部可以产生电 动势(光生电压)--光生伏特效应是内建场 引起的光电效应.
—当p-n结上外加电压变化，势垒区的 空间电荷相应变化所对应的电容效应. ♦当p-n结上外加的正向电压增加，势垒
高度降低空间电荷减少
♦当p-n结上外加的反向电压增加，势垒
高度增加空间电荷增加
图6-19(c)
②扩散电容 CD —当p-n结上外加电压变化，扩散区的
非平衡载流子的积累相应变化所对应的 电容效应.
♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体
同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结
♦由两种不同的半导体单晶材料组成的 结—异质结
工艺简介: ♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结
♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂
♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅 结
击穿机理:
♦雪崩击穿—强电场下的碰撞电离, 使载
流子倍增
♦隧道击穿—大反向偏压下, 隧道贯穿使
反向电流急剧增加
♦热电击穿—不断上升的结温, 使反向饱
和电流持续地迅速增大
§ 3 p-n结电容
(1) 电容效应 (2) 突变结的空间电荷区 (3) 突变结势垒电容 (4) 扩散电容
半导体p-n结,异质结和异质结构03
如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必有一个 电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电类型的n 型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导致原来 在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键悬空， 形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成了空穴 导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原来在带 隙中的费米能级逐渐向下移。
半导体，本征半导体，非本征半导体
半导体: 最外层价电子填满了价带，导带没有电子， 有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能 量跃迁到导带中，在价带中形成空穴，在导带中出现电 子时，半导体导电。
本征半导体:不掺杂的半导体。此时的费米能级在带 隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到 导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高本征 半导体的导电性能变大。
PN结的伏安(I-V)特性：
I为流过PN结的电流；Is为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数， V为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压V为 正值且比Vt大几倍时, 正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向 导通状态.外加反向电压即v为负值，且|v|比Vt大几倍时，PN结只流过很小的反 向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。由PN结 的I/V特性曲线得到：PN结具有单向导电性和非线性伏安特性.
nipi14e10cm3nipi196e20cm3杂质半导体ni电子浓度n空穴浓度p之间的关系nnieefeiktpnieeiefktni2npei本征费米能级ef杂质费米能在n型半导体中np因此efei在p型半导体中pn因此eiefn型p型半导体的能带结构eoeceveiefiegefnefpesxswnwppn结形成的内部机理?施主和受主电子和空穴载流子移动电荷空间电荷固定离子?多数载流子和少数载流子载流子的扩散运动空间电荷区的形成内建电场的建立?内建电场阻止多数载流子的进一步扩散增强了少数载流子在反方向的漂移运动最后达到动态平衡热平衡电中性随温度变化时平衡被破坏几个重要参数和概念?接触电位差
高二物理竞赛p-n结空间电荷区及能带图课件
本章内容提要
p-n结及其能带图 p-n结伏安特性 p-n结电容 p-n结击穿 p-n结隧道效应
同一种半导体材料n、p型样品接触
p-n 结
理想p-n 结的 J-V 曲线
电流电压特性 电容效应 击穿特性
意义
晶体管、集成电路的心脏
p-n结定义：p型半导体和n型半导体结合的交界面。
4.p-n结的载流子分布（采用求平衡态导电电子浓度类似的方法）
n(x)
Nc
exp
EF
Ec (x) k0T
nn 0
exp
Ecn
Ec (x) k0T
nn 0
exp
qV (x) qV D k0T
p(x)
pn0
exp
qV D
qV (x) k0T
np0
nn0
exp
qVD k0T
突变结：p、n区杂质均匀分布，两侧杂质类型及 浓度突然变化（合金法或离子注入法 ）
基本结构示意图
缓变结：从一区域到另一个区域杂质浓度是逐渐变化的（扩散法 ）
突变结杂质分布(合金结、 高表面浓度的浅扩散结)
缓变结杂质分布（低表面浓 度的深扩散结）
(一) 合金法 把一小粒铝放在一块n型单晶Si片上，加热到一定的温
平衡p-n结的能带图
电子
n区
费米能级高
p区 空穴 费米能级低
EFn下移
内建电场 整个能带移动
EFp上移
统一的费米能级
3.p-n结接触电势差
qVD
EF
n
EF
p
，VD为p -
n结接触电势差
内建电场导致的电势降落
VD的影响因素
n区电子平衡浓度：
P-N结势垒电容的测量
P-N 结势垒电容的测量一、目的:1. 测量硅P-N 结势垒电容与外加偏压的关系；2. 从势垒电容与负偏压系式中求出势垒厚度δ、杂质浓度或杂质浓度梯度。
二、原理:当加在结两端的电压发生变化时，一方面使结势垒度发生变化，引起了势垒区内空间电荷的变化，这相当于对电容的充放电，因为它是势垒度的变化引起电容量的变化的，所以我们用势垒电容C T 来表示这种作用；另一方面也使注入到p 区的电子和注入到n 区空穴数目发生变化，引起p 区和n 区的载流子浓度梯度的变化。
为维持电中性条件，多数载流子也要作相应的变化，相当于载流子在扩散区中的 “充”和“放”，就如同电容的充放电一样。
因为它是在扩散去内载流自变化引起的.故称为扩散电容，用C D 表示。
P-N 结电容包括势垒电容和扩散电容两部分：C=C T +C D当结两端的外加电时为负（即n 区为正，p 区接负）时，由于P 区、n 区的少数载流子很少，负电压的变化并不引起p 区、n 区中电荷有多大的变化，所以扩散电容很小，相对势垒电容来讲，扩算电容可以忽略。
即：C=C T +C D ≈C T所以，在外加负偏压的条件下测得的P-n 结电容认为是P-n 结势垒电容。
势垒电容C T 与势垒区厚度δ的关系同平行板电容器一样：δεεA C T 0= （8-1）式中ε是硅的相对介电常数ε=12；ε0是真空介电常数ε0=8.85×10-2微微法/厘米；A 是P-n 结的结面积，用cm 2作单位；δ是势垒厚度，用cm 2作单位。
P-n 结势垒区的厚度δ是随外加电压的变化而变化的,它的变化规律与P-n 结两边的杂质浓度的大小及杂质的分布状况有关。
Ge:ε=16Q=1.6×10-19库仑下面介绍两种比较理想的P-n 结,即突变结和线性缓变结的势垒电容随外加电压的变化规律.1、 突变结在P 区和n 区的杂质浓度是均匀的，而且P 区和n 区的界面上杂质浓度有一个突变，这样的P-n 结叫做突变结。
PN结原理及制备工艺
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• 首先是空穴的产生。当半导体内掺入硼原子后，相当于占据了一个硅原子 （锗原子）的位置，因为硼原子最外层只有3个电子，当这些电子与周围 硅原子（锗原子）形成共价键的时候，自然就空出一个位置。因此，周围 的硅原子（锗原子）的电子很容易就可以跑到空出的位置上，从而形成空 穴。所谓空穴的移动，其实是这些电子在移动，方向相反，我觉得这一点 和导体内电流方向与自由电子移动相反差不多。
问题：
1、涂胶.avi过程 2、光刻胶分类，作用，常用的光刻胶？
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• 综上所述，PN结中存在着两种载流子的运 动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运 动；另一种是少子在内电场的作用下产生 的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂 移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽 度和内建电场才能相对稳定。由于两种运 动产生的电流方向相反，因而在无外电场 或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。
载流子的扩散运动
★PN结：
P区
- ---- ---- ----
+ ++++ + ++++
+ + + + + N区
建立内电场
扩散运动和 漂移运动达到
动态平衡，
交界面形成稳定的 空间电荷区，即
ＰＮ结
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内电场对载 流子的作用
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pn结的形成-形成PN结的原理
• PN结 及其形成过程
•
在杂质半导体 中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中
• 当加上正向电压（正偏）且大于0.5V时，在外电场的作用下，多子向 PN结运动，负电荷得到空穴中和，正电荷得到电子中和，因而PN结变窄， 扩散运动较之前又会变强。同时，因为电源不断补充电子和空穴，使得多 子的运动得以持续形成电流。
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P、N型两种半导体连接在一起。 N型半导体：电子是多数载流子，浓度高； P型半导体：电子是少数载流子，浓度低； 电子从高浓度向低浓度扩散。
P型半导体
N型半导体
界面附近， N型半导体电子浓度降低，电离杂质的正电荷 高于剩余的电子浓度。出现正电荷区域； P型半导体空穴浓度降低，电离杂质的负电荷高于剩余的 空穴浓度。出现负电荷区域； 正电荷区域+负电荷区域=空间电荷区 空间电荷区电离杂质携带的电荷称为空间电荷。
E
P型半导体
N型半导体
电子扩散
电子Байду номын сангаас移
P-N结电流电压特性： PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈 现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈 现高电阻， PN结截止。
6.2 p-n结的制备
1.合金法
合金法制造P-N结如图所示，把一小颗铝（或铟） 球放在一块N型单晶硅（或锗）片上，加热到一定温 度，形成铝硅的熔（或铟锗）融体，然后降低温度， 熔融体开始凝固，在N型硅（或锗）片上形成一含有 高浓度铝（或铟）的P型硅（或锗）薄层，它和N型硅 （或锗）衬底的交界面即为P-N结。
P型半导体
N型半导体
内建电场：空间电荷区中的这些电荷产生了从 n区指向p 区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。 载流子扩散进行，空间电荷区扩大，空间电荷量增加，内 建电场强度增加。 载流子受到扩散方向相反的力，产生漂移。电子的扩散和 漂移会达到平衡。（热平衡状态，宏观没有扩散和漂移）
离子注入法制造P-N结
4.薄膜生长法
气相、液相等外延技术，生长相反导电类型的半导 体薄膜，形成P-N结。
2.扩散法
扩散法制造P-N结，如图所示在N型硅单晶上，生长一层 SiO2，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入N型硅单晶中，形成 P-N结，也称为扩散结。
扩散法制造P-N结
3.离子注入法
离子注入法是比合金法和扩散法都要新的掺杂技术，如 图所示，把杂质元素，如硼、磷等，经过离子化后成为掺杂 离子，通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改 变，这样就可以控制离子以一定的能量进入半导体内部，达 到掺杂的目的，经过退火就形成了P-N结。
第6章
p-n结
学习目标
1.理解p-n结的形成机理。 2.掌握p-n结的制备。
3.了解p-n结的能带结构。
4.掌握p-n结的特性。
6.1 p-n结的形成
采用掺杂制造工艺，在一块半导体中获得不同掺杂的两 个区域P型区和N型区，这种P型和N型区之间的冶金学界面称 为P-N结。
P-N结