华侨大学微电子器件与电路(IC2020)Lec4PN结二极管I

CH3 PN Junction and PN Diode I
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电场强度1
耗尽层正、负空间电荷分离产生 了自建电场.
在一维空间，可以由泊松方程来 确定电场强度
d
2 ( x)
dx2
=
−
dE ( x) dx
P区价带中空穴进入N区价带
电势差无法直接测量，然而内建电
碰到一个“势垒”
场和内建电场真实存在。
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内建电势2
掺杂半导体的电子浓度和费米能级的关系为
异质结
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为什么要学习PN结2
金属氧化物半导体场效应管 MOSFET
PN结
MOS电容
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半导体物理基础
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电场强度4
所以P区电场分布 同理N区电场分布
E(x)
=
−
qNa
s
(x
+
xp
)
E(x)
=
−
qNd
s
(x
−
xn )
−xp x 0 0 x xn
对于均匀掺杂PN结而言，电场是结区距离的线
性函数，最大电场位于冶金结面处。
内建电场方向由N区指向P区。
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空间电荷区的形成4
Na电荷区 Nd电荷区
P中性区 空穴扩散力
空间电荷区 自建电场
空穴电场力 电子电场力
N中性区 电子扩散力
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离子注入
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杂质分布
突变结
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线性缓变结
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0
x −xp −xp x 0 0 x xn
x xn
P区电场 N区电场
E(x) = (x)dx = − qNa dx
s
s
E(x) = (x)dx = qNd dx
s
s
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Ix = Vx / R
n
+ Vx -
思考
Ix Vx
Ix = ?
pn + Vx -
Ix Vx
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Ix = ?
pn + Vx -
Ix
思考
Vx
①平衡态下， 具有统一的费米能 级
②根据掺杂浓 度和掺杂类型，画 出各区的能带图
③P型和N型能 带中间用光滑曲线 连接
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耗尽区近似
PN结可以分成三个区：电中性N型区，电中性P型区和 中间的耗尽区。因为在耗尽区，费米能级EF距离导带和价 带都不近，因此电子和空穴的浓度都非常低。
PN结基本结构
冶金结面
PN结具有特殊的性质：单向导电性。 PN 结是许多重要半导体器件的核心。
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PN结的形成
合金工艺
扩散工艺
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问题： ①当只有N型半导体时，有 大量的电子；当只有P型半导体 时，只有大量的空穴；那么存在 PN结冶金结面载流子的分布情况？ ②PN结在零偏、正偏、反偏 时的载流子分布情况?1
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空间电荷区的形成5
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热平衡PN结能带图1
EC
qVbi
于qVbi。 耗尽区中从P区中性区交界面到
EFi EFP
q fp
qVbi
EV
EC N区中性区交界面之间存在电势差，
q EFN fn EFi
称为扩散电势差，因为来源于内部 载流子扩散，所以称为内建电势差，
qVbi
因为不是由外接电压引起的。
EV
任意两种不同材料的界面处都
P区
N区
存在内建电势，需要注意的是内建
空间电荷区的形成2
假设P区掺杂浓度为1.5×1017cm-3，N区掺杂浓度为
1.5×1016cm-3，则接触时，冶金结两侧的载流子分布如下：
pp = 1.5 1017 cm−3
nn = 1.5 1016 cm−3
np = 1.5 103cm−3
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内建电势3
PN结的内建电势差等于N型半导体和P型半导体的电 势绝对值之和
Vbi =| fn | + | fp |
=
kT q
ln(
NaNd ni2
)
=
VT
ln(
NaNd ni2
)
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热平衡PN结能带图4
热平衡时电子电流密度和空穴电流密度均为0
Jn
= nqn
dEF dx
=0
Jp
= nqp
dEF dx
=0
dEF = 常数 dx
dEF = 常数 dx
热平衡半导体费米能级处处相等
n0
=
ni
exp(
EFn − EFi kT
)
=
ni
exp( q fn
kT
)
fn
=
kT q
ln(
Nd ni
)
同理可得
fp
=
−
kT q
ln(
Na ni
)
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电场强度3
解得P区电场分布为
E(x)
=
−
qNa
s
+ C1
由于热平衡时电流为0，因此可以认为x<-xp的区 域电场为0
E(− xp )
=
qNa xp
s
+ C1
=
0
C1
=
−
qNa xp
s
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为什么要学习PN结1
半导体器件现有60多种器件，如果考虑到互补器件则 有100多种，但是基础的半导体结构主要有四种：
金属 半导体 金属-半导体接触
p型半导体 n型半导体 PN结
金属 氧化物 半导体
半导体A
半导体B
金属-氧化物-半导体
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热平衡PN结and PN Diode I
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热平衡状态下 PN结能带图
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热平衡PN结能带图3
本征费米能级Ei的变化和电子电势qV(x)的变化一致，所以 dEi = − 1 dV (x) = qE dx q dx
Jn
=
nqn
dEF dx
同理，对空穴
J
p
=
nq p
dEF dx
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流过PN结总电子电流密度应该等于电子漂移电流和电
子扩散电流之和
Jn
=
nqn E
+
qDn
dn dx
根据爱因斯坦关系式，做如下变换
Jn
=
nqn [ E
+
kT q
d ln n ] dx
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=
−
(x) s
耗尽区空间电场由正负空间电荷相互分离引起的，并且在 N区xn处和P区xp处突然截止。
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电场强度2
空间电荷分布为
0
(x) = −qqNNda
Lecture 4-1 PN结静电学
OUTLINE 1. PN结基本结构 2. PN结静电学 ①内建电势差 ②内建电场 ③空间电荷区分布
教材第7章：7.1 7.2
CH3 PN Junction and PN Diode I
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突变结、线性缓变结
Nd Na
突变结
Nd+
Na 单边突变结
Nd Na
线性缓变结
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需要解决的问题
1.PN结中的载流子分布是怎样的？ 2.PN结中的电场是怎样的？ 3.电势分布和能带图是怎样的情况 4.PN结的电流是由哪些过程形成的
热平衡PN结能带图2
又有
n
=
ni
exp(
EF − kT
Ei
)
ln n
=
ln
ni
+
EF − kT
Ei
d ln n = 1 ( dEF − dEi ) dx kT dx dx
Jn
= nqn[E +
1 ( dEF q dx
−
dEi )] dx
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空间电荷区的形成1
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pn = 1.5 104 cm−3
x
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空间电荷区的形成3
N-type Si
P+
N-type Si
P+
①载流子浓度不等→扩散流。 ②扩散造成界面附近一定范围内：N区电离施主得不到 中和，带正电，P区带负电，且随着扩散而展宽 ③电离施主、电离受主所带电荷称为空间电荷 ④载流子扩散→空间电场→内建电场→漂移电流 ⑤热平衡：扩散电流等于漂移电流
PN结内建电势特点小结
①PN结两边的掺杂浓度越高，内建电势差越大。 ②禁带宽度越大，ni越小，内建电势差越大。 ③由于内建电势使用的是对数运算，当掺杂浓度变化 很大时，内建电势差也只有微小的变化. ④与温度的关系为，虽然Vbi含有kT/q项，但是ni受温 度影响更大，温度越高，ni越大，Vbi越小。
Na
Nd
p = Na p 0 n 0 n = Nd
-xp
xn
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内建电势1
N区导带中电子进入P区导带 碰到一个“势垒”
在PN结能带图中，EC和EV不是 水平，表面存在电势差，电势差等