半导体物理基础(6)PN结

XD
V (x)
qND
r0
( xn
x
x2 ) 2
qNA
2 r0
xp2
x xn , V VD
VD
qND
2 r0
(ND xn2
NAxp2)
xn
NA NA ND
XD
xp
ND NA ND
XD
XD
VD
(
q
2 r
0
)( N A ND NAND
)
XD
VD
(
q
2 r
0
)(
NA ND NAND
)
E
qN A
xn
qNA
r 0
xp
V(x) Edx, 及 x xp , V 0 x 0, V(x) 是连续函数
V (x)
qND
r0
( xn
x
x2 ) 2
qNA
2 r0
xp2
EFn高于EFp表明两 种半导体中的电子
填充能带的水平不
同。
平衡时
qVD (EC )P (EC )n (EV )P (EV )n
EFn EFp
n型半导体中的电子浓度为
EFn Ei
nn0 nie k0T
p型半导体中的电子浓度为
EFp Ei
np0 nie k0T
EFn EFp
n e n0
k0T
np0
平衡时
nn0
qVD
e k0T
np0
qVD ln nn0
k0T
np0
VD
k0T q
ln
nn0 np0
k0T q
ln
4. Epitaxial Growth (外延生长)
外延(简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长 一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料
方法：
➢分子束外延(MBE) ➢超高真空化学气相沉积(UHV/CVD) ➢常压及减压外延(ATM & RP Epi)
缓变结与突变结
(平衡状态下的结) 1 空间电荷区(Space charge region)的形成
d 2V dx2
(x) r0
dE dx
In the p-region:
x xp,E 0
E
(x)dx r0
qNA dx
r 0
qN A
r0
x
C1
C1
qNA
r 0
xp
所以
E
qN A
r0
(x
xp
)
In the n-region:
E
qND
r0
( xn
x
)
E max
qND
r 0
p x pn0e k0T
I-V characteristic of a p-n junction
现假设:
1. 势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中 载流子的产生和复合。
2. 小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中 的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场 可忽略。
(1) 正向偏置 （ Forward bias）
qV f
pn xn pp0e k0T pn0e k0T
qVf
pxn
pn xn pn0
pn0
e
k0T
1
J p
xn
q
Dp Lp
p
xn
q Dp Lp
qVf
pn
0
当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者 的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.
空间电荷区 Space charge region
耗尽区 Depletion region
阻挡层
E
qN A
r0
(x
xp
)
E
qND
r0
( xn
x
)
V(x) Edx,
Poisson’s equation:
r0
(x
xp
)
E
qND
r0
( xn
x
)
V(x) Edx,
VD
k0T q
ln
NDNA ni2
np0
qVD qV ( x)
n x nn0e k0T
qVD qV ( x)
p x pn0e k0T
pp0
n( x)
nn0
pn0
qVD qV ( x)
n x nn0e k0T
qVD qV ( x)
Neutral region
平 衡 时
正向偏置
P区空穴向n区扩散——空穴扩散电流
n区电子向P区扩散——电子扩散电 流 这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。
根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相 等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所 不同而已。
J Jn Jp
1. Alloyed Junctions (合金结)
合金温度
降温再结晶
2. Diffused Junctions (扩散结)
Conceptual example of the use of photolithography to form a pn junction diode.
3. Ion Implantation (离子注入)
外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势 垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。
XD
VD
(
q
2 r
0
)(
NA ND NAND
)
由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为-电注入
np0
nn0
Space charge region
Diffusion region
Chapter 6 p-n Junctions（p-n结）
图1 p-n结基本结构
5.1 Fabrication Of p-n Junction
1. Alloyed Junctions (合金结) 2. Diffused Junctions (扩散结) 3. Ion Implantation (离子注入) 4. Epitaxial Growth (外延生长)
考虑-xp截面：
J Jn (xP ) JP (xP )
忽略了势垒区载流子的产生和复合：
J Jn (xP ) J P (xn )
J
p
(x)
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qDp
dpx
dx
q
Dp Lp
px
J
p xn
q
Dp Lp
pxn
pn xn
q(VD V f )
qV f
pp0e
p e k0T
k0T
n0
q(VD V f )
nn0 pp0 ni2
非简并 , 全电离
nn0 N D p p0 N A
VD
k0T q
ln
NDNA ni2
* 势垒高度~ ND、NA
4.空间电荷区宽度(Space charge region width)
突变结
N Axp ND xn
X D xn xp
xn
NA NA ND
XD
xp
ND NA ND
刚接触，扩散》漂移
内建电场
漂移 扩散=漂移
（达到动态平衡）
漂移运动
P型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
内电场E N型半导体 + +++++ + +++++ + +++++ + +++++
扩散运动
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。