4-1第四章_PN结1
PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解
PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解PN结的形成如果把一块本征半导体的两边掺入不同的元素，使一边为P型，另一边为N型，则在两部分的接触面就会形成一个特殊的薄层，称为PN结。
PN结是构成二极管、三极管及可控硅等许多半导体器件的基础。
PN结载流子的扩散运动如右图所示是一块两边掺入不同元素的半导体。
由于P型区和N 型区两边的载流子性质及浓度均不相同，P型区的空穴浓度大，而N 型区的电子浓度大，于是在交界面处产生了扩散运动。
P型区的空穴向N型区扩散，因失去空穴而带负电；而N型区的电子向P型区扩散，因失去电子而带正电，这样在P区和N区的交界处形成了一个电场（称为内电场）。
PN结内电场的建立PN结内电场的方向由N区指向P区，如右图所示。
在内电场的作用下，电子将从P区向N区作漂移运动，空穴则从N区向P区作漂移运动。
经过一段时间后，扩散运动与漂移运动达到一种相对平衡状态，在交界处形成了一定厚度的空间电荷区叫做PN结，也叫阻挡层，势垒。
PN结的工作原理如果将PN结加正向电压，即P区接正极，N区接负极，如右图所示。
由于外加电压的电场方向和PN结内电场方向相反。
在外电场的作用下，内电场将会被削弱，使得阻挡层变窄，扩散运动因此增强。
这样多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流。
由此可见PN结正向导电时，其电阻是很小的。
加反向电压时PN 结变宽，反向电流很小如果PN结加反向电压，如右图所示，此时，由于外加电场的方向与内电场一致，增强了内电场，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。
由于少数载流子为数很少，故反向电流是很微弱的。
因此，PN结在反向电压下，其电阻是很大的。
由以上分析可以得知：PN结通过正向电压时可以导电，常称为导通；而加反向电压时不导电，常称为截止。
这说明：PN结具有单向导电性。
微电子 04-PN结1
kT NAND Vbi =ψn ψ p = ln( ) 2 q ni
空间电荷(space charge) ： 空间电荷
热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结
由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 ( 间电荷区) 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
0 < x ≤ xn
半导体的总电荷中性要求p侧每单位面积总负空间电荷必须 精确地和n侧每单位面积总正空间电荷相同：
N A x p = N D xn
总耗尽层宽度W即为
W = x p + xn
由
d ψ qN A = 2 dx εs
2
xp ≤ x < 0 和
耗尽区 ψ d
2
dx
2
=
qN D
εs
0 < x ≤ xn
x
E 0
εm Vbi （d）
W
x
ψ
Vbi
0
W
x
（a）在热平衡时，单边突变结 N A >> N D） （b）空间电荷分布 （ （c）电场分布 （d)随距离改变的电势分布，其中 Vbi 为内建电势
电场分布的表示式仍为：
耗尽区
V=0
（a） ND （b） NA （c） p＋ ND NA
E ( x) = E m +
p-n结
本节内容 热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流电流-电压特性 电荷储存与暂态响应 结击穿 异质结
模电课件04第一章PN结电容
整流器广泛应用于各种电子设备 和电源供应系统中，如电源适配
器、充电器等。
放大器的运用
放大器是利用PN结的放大效应来实现信号放大的电子元件。
在放大器中，PN结电容的作用是控制信号的放大倍数和频率响应，从而 实现信号的放大。
放大器广泛应用于各种电子设备和系统中，如音频放大器、射频放大器 等。
PN结电容的物理意义
PN结电容反映了PN结两端电压与结 区内电荷分布之间的关系。
它对于理解半导体器件的工作原理、 分析电路性能以及设计新型器件具有 重要的意义。
PN结电容的特性
PN结电容具有非线性特性，即 在不同偏置电压下，PN结电容
的数值会发生变化。
PN结电容与温度密切相关，温 度的变化会影响PN结电容的大
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随着电子技术的不断发展，PN结电 容的应用范围越来越广泛，对其性能 的要求也越来越高。
为了满足不断增长的性能需求，PN 结电容的研究和开发也在不断深入， 新型材料和制备工艺不断涌现。
未来，随着电子器件的小型化和集成 化，PN结电容的发展将更加注重微 型化、高精度和高稳定性等方面，以 满足不断变化的市场需求。同时，随 着人工智能和物联网等新兴技术的快 速发展，PN结电容的应用领域也将 得到进一步拓展。
电荷存储与PN结电容
电荷在PN结空间电荷区中的存储形成 了PN结电容。
PN结电容的大小与空间电荷区的宽度 和掺杂浓度有关。
当外加电压施加在PN结两端时，自建 电场和外加电场的共同作用使得空间 电荷区中的电荷发生移动，导致电容 的充放电。
影响PN结电容的因素
01
02
03
掺杂浓度
第四章pn结
• • • • • • • •
空间电荷(space charge) ： 由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
耗尽区
• 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 linearly graded junction)． • 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的pn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．
• •
•
产生-复合和大注入影响 理想的二极管方程式，可以适当地描述锗p-n结在低电流密度时的电流-电压 特性．然而对于硅和砷化镓的p-n结，理想方程式只能大致吻合，因为在耗尽 区内有载流子的产生及复合存在． 首先，在反向偏压下，耗尽区内的载流子浓度远低于热平衡时的浓度．前一 章所讨论的产生和复合过程主要是通过禁带中产生-复合中心的电子和空穴发 射，俘获过程并不重要．因为俘获速率和自由载流子的浓度成正比，而在反 向偏压下耗尽区的自由载流子非常少．工作在稳态下，这两种发射过程交替 地发射电子和空穴。电子-空穴对产生可以由
电流电压特性
• • • • • • • • • • • • • 电流-电压特性： 当在p-n结外加一电压，将会 打乱电子和空穴的扩散及漂移电 流间的均衡． 如中间图所示，在正向偏 压时，外加的偏压降低跨过耗 尽区的静电电势．与扩散电流 相比，漂移电流降低了．由p端 到n端的空穴扩散电流和n端到p 端的电子扩散电流增加了．因 此，少数载流子注入的现象发 生，亦即电子注入p端，而空穴 注入n端．
第一章pn结
在冶金结处，净杂质浓度为零。
9
10
2、p-n结空间电荷区
自建电场E
P
Xp
Xn
N
空间电荷区Xm
因为缺少载流子，空间 电荷区为高阻区。
坎电压，记为Vf.
32
关于正向电流公式的讨论
理论与实验结果的偏离
I
qV
I0e kT
ln
I
ln
I0
qV kT
用经验公式J
exp
qV
kT
表示
小电流 2
中等电流 1 符合理论值
大电流 1
由于小电流（小注入）下忽略了势垒复合（假设3）
大电流下，小注入的假设（假设4）不再成立
因 Evp Evn qVD V
p x N e n n
EF Evn Evp Evp kT v
N e e EF Evp kT v
qVD V kT
p e0 qVD p
kT
eqV
kT
pn0eqV kT
同样 np xp n0peqV kT
在空间电荷区中x处：
n x nieEF Ei x kT
p x nieEi xEF kT
Ei x Eip qV x
p x
n eEip EF i
kT
eqV x
kT
p
0 p
半导体物理学简明教程pn结
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 pn结的形成及其平衡态 pn结的伏安特性 pn结电容 pn结击穿 pn结的光伏效应 pn结发光
1
2015年7月1日星期三
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2015年7月1日星期三 8
一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成
在一块 n 型半导体基片的一 侧掺入较高浓度的受主杂质， 由于杂质的补偿作用，该区 就成为ｐ型半导体。 N 区的电子向 P区扩散；P 区的空穴向N区扩散。 在P型半导体和Ｎ型半导 体的交界面附近产生了一 个电场,称为内建场。 p-n结
由 n0 N C exp(
同理，得空穴电流 J p p0 p dEF dx
2015年7月1日星期三
dE F 0 因为热平衡时 Jn＝0，所以结果表明热平衡时 dx
13
三、pn结的接触电势差
平衡pn结空间电荷区两端的电势差VD称为pn结的接 触电势差或自建电势差，相应的电子势能之差，即能 带的弯曲量qVD，称为pn结的势垒高度。
EC EF
EF EV ●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
价带 p 型半导体
空 间 电 荷 区
EV 价带 n 型半导体
11
2015年7月1日星期三
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p 区，以及空穴从p区流向n区来实现的。在载 流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至 EFn＝EFp＝EF时达到平衡。
半导体器件物理 第四章总结
上栅极 VG ≤0
P+
第三个电极是栅极，它与沟道构成一个整 流结。 结型场效应器件本质上是一种电压控制电 阻器，其阻值能够随着扩展到沟道区的耗 尽层宽度的（器件的尺度：沟道长度为L， 宽度为Z，深度为2a）变化而变化。
W 源 W
L
n
VD ≥0
2a
P+
6
VDS对沟道的控制（假设VGS 一定） 由图 VGD = VGS - VDS * VDS很小时 → VGD VGS
① JFET的I-V关系曲线
JFET对应 不同的VG 有不同的 曲线
②双结型特性曲线
对应用不同基板电流Ib有不同的曲线
Ic Ib
饱和区
β=△Ic/ △Ib
Vce
5
4-1-3 JFET的工作原理
JFET由一个带有两个欧姆接触的异电沟道构成，一个欧姆接触起源极的作用，
另一个作漏极。当漏极加一个相对于源极的正电压时，电流从源到漏。
③ VG =－VP 时:
当栅源电压VG=-VP 时N沟道全夹断。
此时即使有漏源电 压VD ，亦不能产生 电流ID。
ID B
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
当VG=－VP时,N沟道的起 始状态为全夹断,管中已 没有自由电子，即此时N 沟道不存在,漏源间的电 阻为无穷大,所以即使有 VD,亦不会有ID。 C VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
0 VG(V) 0
Vp
10V
29 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 时,ID为最大。 ID(mA) 当栅源电压等 夹断电压时, ID为0。
第四章 pn结..
第4章 pn 结1、对N A =1×1017cm -3，N D =1×1015cm -3的突变pn 结，通过计算比较其制造材料分别为Si 和GaAs 时室温下的自建电势差。
解：pn 结的自建电势)(ln 2iA D D n N N q kT V =已知室温下，0.026kT =eV ，Si 的本征载流子密度310100.1-⨯=cm n i ，代入后算得：eV V D 718.0))100.1(101101ln(026.02101517=⨯⨯⨯⨯⨯=GaAs 的本征载流子密度36101.2-⨯=cm n i ，代入后算得：eVV D 537.1)101.2101101ln(026.061517=⨯⨯⨯⨯⨯=2、接上题，分别对Si 结和GaAs 结求其势垒区中1/2势垒高度处的电子密度和空穴密度。
解：根据式(4-14)，该pn 结势垒区中qV D -qV (x )=1/2qV D 处的热平衡电子密度为])(exp[])(exp[)(00kT qV x qV N kT qV x qV n x n DD D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得3901001.1-⨯=cm n 对于GaAs ：代入数据计算得3201046.1-⨯=cm n根据式（4-17），该处的空穴密度为])(exp[])(exp[)(200kT x qV qV N n kT x qV qV p x p D D i D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得31001092.9-⨯=cm p 对于GaAs ：代入数据计算得31001004.4-⨯=cm p3、设硅pn 结处于室温零偏置时其n 区的E C - E F =0.21eV ，p 区的E F -E V =0.18eV 。
(a)画出该pn 结的能带图；(b)求p 区与n 区的掺杂浓度N A 和N D ；(c)确定接触电势差V D 。
解：（b ）假定室温下p 区和n 区的杂质都已完全电离，则平衡态费米能级相对于各自本征费米能级的位置可下式分别求得：)exp(kT E E N N F C C D --=;)exp(kT E E N N VF V A --=室温下319319101.1,108.2--⨯=⨯=cm N cm N V C代入数据可得：31519107.8)026.021.0exp(108.2-⨯=-⨯=cm N D代入数据可得：31619101.1)026.018.0exp(101.1-⨯=-⨯=cm N A(c) 接触电势差可表示为2ln i A D D n N N q kT V =代入数据得：eV V D 72.0)100.1(101.1107.8ln 106.1026.0210161519=⨯⨯⨯⨯⨯=-4、一硅突变pn 结的n 区n =10cm ，p =5s ；p 区p =0.1cm ，n =1s ，计算室温任意正向偏压下:：(a)空穴电流与电子电流之比；(b)反向饱和电流密度；(c)0.5V 正向电压下的电流密度。
PN结1
Laser Diodes Solar Cells
2013-9-17
3
• More significantly, they are the common building blocks in semiconductor devices.
A conventional npn bipolar transistor structure
2013-9-17
( xp x 0)
32
qNA V ( x) ( xp x) 2 2k 0
( xp x 0)
同样，在结的N型一侧，
qND V ( x) VBi ( xn x) 2 2k 0
(0 x xn)
V与x 的关系实际上是二次函数关系，结的P型侧为凹形 曲线，结的N型侧为凸形曲线 2013-9-17 33
两个含义：
在冶金结附近区域，-xp≤x≤xn, 载流子浓度可 以忽略
耗尽区以外的电荷密度则处处为零。
2013-9-17 22
第一章 PN结
1.1.5 准中性近似 理想突变结：P区和N区均匀掺杂时，远离空间电荷区处 Nn0=ND, pp0=NA 杂质非均匀分布的PN结，要考虑远离冶金结处的载流子分布。 分析一块孤立的N型半导体材料，杂质分布——ND（X) ? 假定 空间任意位置电子浓度为 nn(x)=ND(x)
2013-9-17 20
p2=0.1pp0
利用泊松方程求出
第一章 PN结
实例：掺杂浓度NA=1018/cm3, ND=1015 /cm3 计算结果： 2- 1=0.057V, 内建电势VBi=0.75V xp=0.013μ m, xn=0.041μ m,空间电荷区宽度xm=0.99 μ m 结论：边界区可以忽略，也就是耗尽近似
PN结及单向导电性PPT课件
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + 动画 － － － － － － + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
最新课件
磷原子
在N 型半导体中自由电子
是多数载流子，空穴是少数
载流子。
最新课件
8
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
3
本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
（a. 电子电流、b.空穴电流）
最新课件
10
1.1.3 PN结的形成
载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓
硬件电路设计基础知识
硬件电子电路基础第一章半导体器件§1-1 半导体基础知识一、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）二、半导体的导电特性本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。
硅和锗的共价键结构。
（略）1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化•掺杂──管子•温度──热敏元件•光照──光敏元件等2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴•自由电子──受束缚的电子（－）•空穴──电子跳走以后留下的坑（＋）三、杂质半导体──N型、P型（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。
•N型半导体（自由电子多）掺杂为＋5价元素。
如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增长原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。
载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。
o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。
o空穴──少子o自由电子──多子•P型半导体（空穴多）掺杂为＋3价元素。
如：硼；铝使空穴大大增长原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。
B──＋3价载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。
o掺杂后由B提供的空穴──数量多。
o空穴──多子o自由电子──少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子；P型半导体中的多数载流子为空穴。
§1-2 PN结一、PN结的基本原理1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。
2、PN结的结构分界面上的情况：P区：空穴多N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去，并被复合掉。
留下了正、负离子。
（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区──耗尽区。
由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。
方向：N--> P大小：与材料和温度有关。
（很小，约零点几伏）漂移运动：由于内建电场的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。
半导体物理pn结 (pn junction)
得
Jn
n0qn
E
n0
n
(
dEC dx
dEF dx
)
n0 n
dEF dx
其中 dEC q dV (x) q E
dx
dx
因为热平衡时Jn＝0，此结果表明热平衡时
dEF 0 dx
同理，得空穴电流
Jp
p0 p
dEF dx
热平衡时
Jp
p p
dEF dx
Jn
0
；
因为热平衡时 dEF 0
dx
所以热平衡时pn结两边费米能级持平。
其他理想条件： 1）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性； 2）材料为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计； 3）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度； 4）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压 下电流通过空间电荷区时亦无产生电流加入，即正反向电 流完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保 持为常数。
EF
)
nn0
exp(
EC
(
x) kT
Ecn
)
0 E
nn0
exp(
qVD
qV kT
(x)
)
Ecp
0
∵
np0
nn0
exp(
qVD kT
)
EF
∴
n0
(
x)
n
p
0
exp(
qV (x) kT
)
势垒区中电子密度随着电势升高而指数地
从p区的少子水平升高到n区的多子水平。 x
p
VD
x
x
x
qVD Ecn
xn
• 势垒区内点x处的空穴密度
激光原理-第四章 半导体激光器
第二节 激发与复合辐射
若掺杂原子比材料原子少一个电子,则附加能级接近 价带,其上的空穴很容易进入价带,使价带中出现大量 过剩空穴,这种材料称为p型材料,而杂质称为受主。
掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流 子。 P掺杂三价元素（杂质），载流子主要是空穴，而杂 质称为受主 N掺杂5价元素（杂质），载流子主要是电子,而杂质 称为施主 p型材料和n型材料接触时形成pn结,
式中,kpn 为声子波矢,k pn 一般比k小1个量级左右。
初态与末态相应于k空间不同点的电子跃迁称为非 竖直跃迁或间接跃迁。在这种跃迁中,发射或吸收一 个光子的同时,必须伴随发射或吸收一个适当波数的 声子,以满足动量守恒,因而属于二级过程。其几率比 属于一级过程的纯光跃迁小得多,故不适合用于激光 发射。
E
导带 Eg
满带
半导体的能带
第一节半导体的能带结构和电子状态
二、半导体中的电子状态 用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定 鄂方程实现的。然而,由于固体中所含原子数量极大,对每个电 子求解薛定鄂方程是根本不可能, 只能采取某种近似的方法:
其相应的能量本征值为
h2k 2 E V 2me
1．满带（排满电子）(价带) 2．价带（价电子能级分离后形成的能带,能带中一部分能级排 满电子） 3. 导带 （未排满电子的价带） 3．空带（未排电子） 空带也是导带 4．禁带（不能排电子）
第一节半导体的能带结构和电子状态
半导体材料Si和Ge为例,每个原子有4个价电子,在原子状态中s态 和p态各2个。 由轨道杂化重新组合的两个能带中各含２Ｎ 各状态，较低的一 个正好容纳４Ｎ 个价电子， 所有的电子排满了s轨道,只有当能带被电子部分填充时,外电场 才能使电子的运动状态发生改变而产生导电性。 这些材料低温下不导电,在温度较高时,部分电子从价带激发到导 带,表现出导电性。
第四章半导体期末必考 p-n结
P区能带相对于N区能带上移的原因
能带图是按照电子 能量从高到低来画的。 由于内建电场使得P区电 子能量在原来能级基础 上叠加上一个由电场引 起的附加势能。
半导体中有电场存 在的地方，能带发生弯 曲，朝电场所指方向上 移，电场强度越强，能 带弯曲越厉害，电场为 零或很弱的地方，能带 保持平直。
P-N结的载流子分布
突变结
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。 设P-N结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可表示为
在热平衡条件下求接触电势差
突变结
合金法
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）。
P-N结能带图
扩散 当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度， 导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
在一定的正向偏压下，单位时间内从N区来到xp处的 非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的 分布。所以，在正向偏压一定时，在xp处就有一不变的向 P区内部流动的电子扩散流。 同理，在边界xn处也有一不变的向N区内部流动的空 穴扩散流。 N区的电子和P区的空穴都是多数载流子，分别进入 P区和N区后形成P区和N区的非平衡少数载流子。 当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入P区的 电子流和流入N区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作 用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子 的电注入。
4-1第四章_PN结1
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。
4
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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
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
10
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
4-1PN结及二极管
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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3. PN结
(1) PN结的形成
(2) PN结的单向导电性 (3) PN结的击穿 (4) PN结的电容效应
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(1) PN结的形成
在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分 别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导 体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
反向击穿原因：
齐纳击穿：掺杂浓度较高，空间电荷区 较薄，反向电压不太大时，就形成很强 的反向电场，将电子强行拉出共价键。 击穿电压<4V。
雪崩击穿：掺杂浓度较低，空间电荷区 较厚，随着反向电压的增加，反向电场 增强，使电子加速，动能增大，撞击其 他电子产生电子倍增效应。击穿电压 >7V。
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如果外加电压使PN结中：
P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压 ，简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
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① PN结正偏时 ——导通
IF
P区 N区 内电场
外电场
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方 向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是 ,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流 加大。漂移电流与扩散电流相比可忽略，PN结呈 现低阻性。
(3) 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:
1
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni = pi =1.4×1010/cm3 n=5×1016/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
PN结
■二极管的基本原理——PN结的单向导电性
◆正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流IF。
◆反向截止：当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。
◆反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态。
☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。
☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。
☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
■PN结的电容效应
◆称为结电容CJ，又称为微分电容
◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD
☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。
在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。
☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。
正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。
◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
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x=xj
x
8
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
9
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 ？
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
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
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
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
61
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
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。
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。
23
• 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
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
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)
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
（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。
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。
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
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
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
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
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。
56
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、
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。
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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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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。
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