4-1第四章_PN结1

p nb = p n 0e qVa / kT ni 2 qVa / kT = e ND ni 2 qVa / kT = e NA
n pa = n p 0e qVa / kT
• 在wk.baidu.com尽区边缘，少数 载流子的浓度。
4.6.1准中性区中的少数载流子
• 少数载流子以扩散运动。
dp J h = qD h dx • 连续性方程：
4.2.3耗尽区边载流子的浓度和偏压关系
零偏置时：
通过耗尽区的电流为漂移电流与扩散电流之差
零偏置时，处理平衡状态：
利用爱因斯坦关系式，可得：
对两边积分：
p nb = p pae
q 0 / kT
e
qVa / kT
A点应遵循空间电荷中性条件，多数载流子远大于少子
p pa = N A n pa p p 0 p n 0e q
1 dJ h
• 三方程联立：
d 2pn pn pn0 Dh = G 2 h dx
q dx
= U G
• 无光照时G＝0，而且：
一、PN结
在同一块半导体单晶中N型区与P型区的交界面以及交 界面两侧的过渡区，称为 PN结。
PN结
P
N
3
★ p-n结的形成 • p-n结的形成 ♦控制同一块半导体的掺杂,形成pn结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) ♦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
i
EV
12
4 4
两者费米能之差
4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
教材处理方法：
接触电势差大小与 两边的掺杂浓度有 关系，材料本身也 有关系。
了解内容
4
4
了解内容
4 4
4 4
• 平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点: ♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从 玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND x
5
xj
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布
N P
扩散法制造PN结过程
杂 质 浓 度 ND
-NA
N-Si P-Si
xj
x
缓变结
6
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布 2. 缓变结 (1) 缓变结杂质分布
因为耗尽层厚度W随着外加电压V而改变， 则耗尽层中的空间电荷Q也将随着外加电压 而改变，这就有p-n结的所谓电容效应。
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4.3 PN结电容 4.3.1 PN结的势垒电容
四、势垒电容讨论 1、PN结势垒电容和平板电容的不同 电容随外加电压变化 势垒区内充满电荷
2、PN结势垒电容与 杂质浓度、杂质分布、
第4章 PN结
基本结构（空间电荷区） 工作原理（载流子浓度分布、输运） 电流电压特性（肖克莱方程） 电容效应（势垒电容、扩散电容） 击穿特性（雪崩击穿、隧道击穿、热击穿）
1
4.1 平衡PN结
一、PN结结构 二、空间电荷区 三、平衡 PN 结载流子分布
2
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
如：势垒区内电势能比n区导带底低0.1eV的点，多 数载流子电子的浓度仅为1/50倍，而少子空穴浓 度仅为 10 10 倍，此处载流子浓度很小，就象耗尽 了一样，所以称为耗尽区。
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• 知道了耗尽区载流子浓度分布，根据电动力学知 识就可得电势电场分布。 • 如图。
Step Junction
Semiconductor Physics
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空间电荷区: ♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致 载流子的扩散. ♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷--空间电 荷(电离施主,电离受主). ♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场 的方向: n→p . 在内建电场作用下,载流子要作漂 移运动.
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少子可以通过漂移和扩散两种方式流动。如果半导体材料的均匀 掺杂区是准中性的，而且少数载流子并不是很小，那么少数载流 子的流动将以扩散方式为主，下面证明之：
反证法：考虑少子电流并不是很小，有：
dn J e = q e n qDe dx
Jh
dp = q h p qD h dx
p n ND 0
q p nb = p n 0e qVa / kT = p p 0e
0
qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e ND
n pa = n p 0e qVa / kT = nn 0e
q 0 qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e NA
4.2.4准中性区内的扩散流
N P
杂质浓度近似处理方法 A。线性缓变结近似 B。突变结近似
杂 质 浓 度
ND
-NA
xj
7
x
4.1平衡PN结
4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (2) 线性缓变结近似 适用于表面杂质浓度较 低、结深较深的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
dN(x) a j= dx
Semiconductor Physics
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
二、平衡PN结能带图
P
电 位
空间电荷区
N
xp
内建电场
xn
VD : 接触电势差 (内建电势)
空间电荷区又称
势垒区 耗尽层
VD
电 子 势 能
qVD
能 带
EFP
EC E FN qVD EC i EF EV
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• 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 • 杂质分布的简化: ♦突变结 ♦线性缓变结
（2） 外加电压
+ E —
—
E
+
—
E
+
p n
p
n
内电场 正偏压 负偏压 内电场
p
隧道效应
n
内电场 高负偏压
1）加入正偏压V，n区的电势比p区的电势高VD – V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散 增强，载流子产生的净电流。 2）加入负偏压V，n区的电势比p区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散 减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。
光生伏特效应： 1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结； 2）p、n区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流 子； 3）非平衡载流子破坏原来的热平衡； 4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p 区扩散，p区电子向n区扩散； 5）若p-n结开路，在结的两边积累电子—空穴对, 产生开路电压。
4.2非平衡状态下的P－N结 4.2.1非平衡状态下的能带图
平衡载流子： 在一定温度下，半导体中由于热激发产 生的载流子（电子或空穴）。 非平衡载流子：由于施加外界条件(外加电压、光照)， 人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载 n 流子。
p
（1） 光照 E
P区电子
n
p
_
+
p n
n区空穴
pP0
pxN = eqV
kT
当V升高，积累的“非平衡少 子”电荷增多。相当于电容 “充电”； pN0 当V降低，积累的“非平衡少 子”电荷减少，相当于电容 “放电”。
nxP = eqV
kT
nP0
N
xN xP
P
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4.6暗特性
• 上周学习了，PN结区 可划分为耗尽区和扩 散区（准中性区）。 • 不管是正向电压还是 反向，都是少数载流 子的扩散。主要运动 方式就是扩散。
N型区与P型区交界面处载流子如何运动 ？
• 空间电荷 • 空间电荷区 • 内建电场
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
载流子浓度差
多子的扩散运动 由杂质离子形成 空间电荷区 空 间 内电 建荷 电区 场形 成 内建电场促使 少子漂移 内建电场阻碍 多子扩散
载流子扩散和漂移达到动态平衡。
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4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、PN结加工方式与杂质分布
合金法制造PN结过程
P区 N区
熔融
Al
N-Si
P-Si
杂 质 浓 度
NA ND x
4
xj
突变结
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布 1. 突变结
P区 N区
q h p
dp dn 求导得 dx dx
假使少子电流中漂移成份不可忽略即：
dp qD h dx
由于n远远大于p，则：
dp dn q h n qD h qD h dx dx
dn dx
同样：
q e n qD e
由于电子与空穴的迁移率大小 差不多（数量级相同）：
q e n q h p
因此：
0 / kT
耗尽区边缘 少数载流子 浓度
p nb = p n 0e qVa / kT
n pa = n p 0e qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e ND ni 2 qVa / kT = e NA
可以想见，凡是与有 0 关的量，只要把其中的 0 改 换成（ 0 –V）后，就可把p-n结在热平衡下的所有 关系推广到加有电压V的非平衡态去。
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1，若一边重掺杂，则势垒区 几乎全部在轻掺杂一边，能 带弯曲也在这一边。 p若取 n 2.热平衡状态下，对于 V＝0.75V，对于掺杂浓度每 立方厘米 1014 ,1015 ,1016 ,1017 ，可算得耗尽区宽度分别为 3.1,1.0,0.31,0.1微米。
3.由此公式还可看出 宽度随着外加电压 的变化而变化。
4.2.2载流子的注入和抽取
如果在p-n结上外加的是反向电压，则 势垒升高，使阻挡载流子往对方扩散 的作用加强，这时将不会出现少数载 流子的注入，从而不会有注入-扩散形 成的反向电流；但是在势垒边缘处的 少数载流子将要受到势垒中电场的作 用，可以被抽取到对方，从而形成通 过p-n结的反向电流，但这时因为总的 少数载流子浓度很低，则在势垒边缘 产生的浓度梯度很小，则少数载流子 往势垒边缘处扩散的电流也很小，所 以p-n结的反向电流很小。但应该强调 的是这种微小的反向电流也是由于少 数载流子在扩散区的扩散所形成的电 流，属于扩散电流，并非漂移电流。
xj
x=xj
x
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4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (3) 突变结近似 适用于表面杂质浓度较 高、结深较浅的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
N型区与P型区有何差别 ？
3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间 电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即n区的导 带和p区的价带具有相同的能量量子态。
4.2.2载流子的注入和抽取
当p-n结上加有电压时，势垒高度和势 垒厚度都将发生变化。如果外加的是 正向电压，则势垒高度降低，使阻挡 载流子往对方扩散的作用减弱，从而 发生少数载流子的大量注入（大量电 子从n型区注入到p型区，大量空穴从p 型区注入到n型区）。注入到对方去的 少数载流子首先是在势垒区边缘处积 聚（积聚的有效范围就是少数载流子 的扩散长度，p-n结的这个区域就称为 扩散区）；然后再依靠浓度梯度往半 导体内部扩散，从而形成较大的通过 p-n结的电流——正向电流。显然，如 此形成的p-n结正向电流是少数载流子 的扩散电流。
结 面 积、外加电压 有关
突 变 结 势 垒 电 容: 与 VD－V 的 1/2 次方成反比 线形缓变结势垒电容：与 VD－V 的 1/3 次方成反比
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4.3 PN结电容 4.3.2 PN结的扩散电容
当PN结外加正向偏压V，在 其势垒区二边的扩散区内有 着非平衡少数载流子电荷的 积累。 nN0
得出结论：
J e jh
与初始假设条件相矛盾，也就是说，少子电流漂移成份不可忽略假设是错误的。 也就是说：
准中性区少数载流子的流动是以扩散方式为主。
4.3 PN结电容
PN结电容
势垒电容 势垒电容
扩散电容 扩散电容
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4.3 PN结电容 4.3.1 PN结的势垒电容
一、势垒电容 当外加电压周期性变化时，载流子则周 期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期 地充电，放电。