复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结
半导体器件物理复习(PN结)
1、PN结（突变结和线性缓变结）的杂质分布、空间
电荷区，电场分布（泊松方程求解）
2、平衡载流子浓度和非平衡载流子浓度（分布）
3、 Fermi 能级，准Fermi 能级，平衡PN结能带图， 非平衡PN结能带图
4、推导pn结的接触电势差
5、非平衡PN结载流子的注入和抽取,过剩载流子的 产生与复合
6、推导理想二极管的电流~电压关系，并讨论pn结的 单向导电性和温度特性。
lipn结结11pn结突变结和线性缓变结的杂质分布空间电荷区电场分布泊松方程求解22平衡载流子浓度和非平衡载流子浓度分布3fermi能级准fermi能级平衡pn结能带图非平衡pn结能带图44推导pn结的接触电势差55非平衡pn结载流子的注入和抽取过剩载流子的产生与复合66推导理想二极管的电流电压关系并讨论pn结的单向导电性和温度特性
开关速度？
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7、PN结大注入效应。比较pn结自建电场和大注入自
建电场的异同点。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
8 分析PN结偏离理想情况的原因
9 势垒电容与扩散电容的产生机制 10 三种pn结击穿机构 11 雪崩击穿的条件？讨论影响雪崩击穿电压的条件。 12 PN结的交流等效电路？ 13 PN结的开关特性，贮存时间的影响因素。如何提高
第五章-PN-结
（a）平衡p-n结势垒区； （b）正偏时，势垒区变窄； （c）正偏时，p-n结载流子变化
PN结电容的计算
突变结势垒电容公式
①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径； ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； （3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用； （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏
—— 非平衡载流子 —— PN结的正向注入
电子扩散电流密度
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 倍
和
比较得到
正向注入，P区边界电子的浓度变为
边界处非平衡载流子浓度
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散 —— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
(3)．热电击穿
当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。
复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结
第五章结•平衡态PN结；•PN结的伏安特性；•PN结的电容；•PN结的击穿特性；•PN结二极管的开关特性；•金-半肖特基接触和欧姆接触；•异质结：半导体器件的基本结构－PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡情况下净电流为零。
平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷区正负电荷相等；•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；•热平衡情况下费米能级保持水平；•空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。
在该区域：导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =正向电压下的窄势垒模型•势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平；•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费米能级。
该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
•因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区边界计算电流。
•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
•在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
pn结的形成原理
pn结的形成原理
1 什么是 pn 结
PN 结是一种构造于两种不同材料之间的半导体器件。
PN结由一种掺有三价杂质的半导体（如硼掺入硅）和一种掺有五价杂质的半导体（如磷掺入硅）组成。
当它们被熔合在一起时，掺杂的材料会互相扩散，形成一个电势降和电场。
2 PN 结的形成原理
半导体中的掺杂，可以有效地改变其导电性质。
在半导体中，掺
入三价杂质如硼可以形成电子空位，形成类似于p型材料的区域，称
为p区；掺入五价杂质如磷可以形成多余的电子，形成n型材料的区域，称为n区。
当一个p区和一个n区接触，原来分布于两个区域中的自由电子
和空穴会相互扩散，形成一个电势降和电场。
电子从n区移动到p区，空穴从p区移动到n区，大部分通过复合相互消失，少部分在pn结中
留下尘埃，产生电流。
PN结具有导电性和单向性。
当PN结处于正向电压时，如p区为正电，n区为负电，自由电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散，使得PN结的电流变大，这称为正向电压。
如果PN结处于反向电压时，如p区为负电，n区为正电，此时自
由电子受到PN结场的吸引，移向n区，空穴移向p区。
由于电子与空
穴相互扩散后，在受到PN结场的阻抗下变得微不足道，所以反向电压
条件下，PN结不导电，这称为反向电压。
3 PN 结的应用
PN结是半导体器件中最基本的构件之一，它有许多应用，例如用
于制造二极管、晶体管和场效应晶体管等器件。
PN结还可以作为太阳
电池和CMOS象元等集成电路器件中的基本单元。
在现代光电子技术中，PN结也常被用作光检测器或光电转换器件，将光子能量转换成电子能量。
半导体物理学中的pn结
半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。
而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。
本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。
一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。
p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。
n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。
当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。
二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。
n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。
由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。
同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。
这就是常说的耗尽区。
在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。
而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。
当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。
反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。
三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。
而在反向偏置下则会截止，不导电。
这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。
2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。
在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。
3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。
这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。
四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。
2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。
复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告
半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。
2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。
3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。
实验原理PN 结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN 结的研究，可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足（1）式中I是通过PN 结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降. 由于在常温(300 K)下，KT/e =0,026 V，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则e eU/kT>>l，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有(2)即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化. 若测得PN 结I-U关系值，则利用(2)式可以求出e/kT. 在测得温度T 后，就可以得到e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1 、直流电源和数字电压表，包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）实验内容一、必做部分：1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。
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．
半导体物理第五章习题参考答案pn 结
ln
Nd Na ni 2
1.381023 300 1.6 1019
ln
1015 1017 (1.51010 )2
V
0.694V
(2) 当 ni＝2.31013/cm3 时：
i
kT q
ln
Nd Na ni 2
1.381023 300 1.6 1019
ln
1015 1017 (2.3 1013 )
掺杂浓度 Nd 和 Na 越高，耗尽电容越大。 4) 由自建势公式：
i
kT q
ln
Nd Na ni 2
0.7V
从而：
0.73m V 0.3V
W
20 Si q
1 Na
1 Nd
i
V
1.341104 i V m V 1 2 0.97m
3.79m
V 0 V 10V
1.4610-4 F m2
答：t<0 时，pn 结正向导通，p 区的空穴，n 区的电子不断向对方区域扩散，并 在对方区域内形成相当数量的存储积累，正向电流越大，存储载流子的数目也越 多，在 t＝0 时，外加电压突然由Va 变为 Va 时,上述存储的电荷基本不变，但电
场出现反向，因此会出现电流反向，大小保持不变的现象。在反向电压作用下， 此前注入基区的积累电荷逐渐被反向电压抽走，积累电荷浓度逐渐减小，反向电 流也随之减小，逐渐减小到反向饱和电流，pn 结转为截止状态。
qN
0
a
qNd
xp x 0 x xp , 0 x d, x xn
d x xn
结合 E d ，以及边界条件： dx
d 2
dx 2
Si
E xp E xn 0 E 0 E 0 Ed Ed
第五章-PN-结
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常 重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： • （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多
数载流子浓度小得多； • （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落
在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的 电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的 少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； • （3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗 尽层中载流子的产生及复合作用； • （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布 满足玻耳兹曼统计分布。
• ④将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想 p-n结模型的电流电压方程式。
①根据准费米能级计算势垒区边界nn’及pp’处注入 的非平衡少数载流子浓度
p区载流子浓度与准费米能级关系为
np pp
ni ni
exp(
E
n F
Ei
kBT
exp( Ei
E
p F
kBT
)
)
n
p
(x
qVD EFn EFp
nn0
ni
exp(
EFn Ei kBT
)
，
np0
ni
exp(
EFp Ei kBT
)
• 两式相除取对数得
ln nn0 np0
1 kBT
(EFn
EFp )
np0 ni2 / NA
nn0 N D
VD
1 q
(E Fn
E Fp )
k BT q
• ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，
半导体器件原理 第五章
差，氧化层中的净空间电荷
平带条件下MOS结构的 能带图和电荷分布图
5.1.1双端MOS结构
零栅压时： Vox0+s0=- ms
平带电压:公式
金属上的电荷密度
单位面积电荷数
栅电压VG Vox s
(Vox Vox 0 ) (s s 0 ) Vox s ms
二氧化硅的电子亲和能 硅的电子亲和能
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
金属的费米能级
Ws E0 EFs e Eg 2 e fp
19
金属与半导体功函数差 二氧化硅的 （电势表示） 禁带宽度 Wm Ws φ ms e Eg 绝缘体不允许电荷在金属和半导体之 φ m (χ φ fp ) 间进行交换 2e
32
n型衬底MOS结构
| QSD 'max | eNd xdT
Cox ox / tox
VFB ms Q'ss / Cox
ms m '( '
Eg 2e
fn )
表面反型层电子密度与表面势的关系
表面处电子浓度随着表面势的增加而增大，表 面势很小的改变就可以使电子浓度迅速增加
负栅压的大小
24
半导体器件物理5章半导体P-N结
第五章半导体P-N结5.1 P-N结如果我们在一块N型半导体中的某个区域掺入P 型杂质（或在P型半导体中的某个区域掺入N型杂质）就会在半导体中形成P-N结。
大多数器件都至少有一个P-N结，半导体器件的工作特性与工作过程与P-N 结有密切关系。
集成电路中器件与器件之间的隔离大都采用反向偏置的P-N结隔离，利用P-N结的特性制作的稳压二极管，整流二极管都在电路中大量应用。
另外通过P-N结二极管的分析，我们可以建立一些基本概念，这些概念在讨论其它器件时也会用到。
分析P-N结的一些技巧也适用于其它半导体器件。
所以，理解和掌握P-N结原理和概念是学习半导体器件理论的关键。
5.2 P-N结的结构P-N结所处的位置是两种杂质的交接面，其交接面称为冶金结面。
在静态（P-N结的两端不加外电压）交界面处的净电荷为零。
为简单起见，我们首先讨论突变结的情况，突变结的特点是：每个掺杂区的杂质分布是均匀的，在结的交界面处，杂质浓度有个突然的跳变。
这种假设意味着结的交界面处电子和空穴都有较大的浓度梯度，由于浓度不同，N区的多子电子向P区扩散，P区的多子空穴向N区扩散。
如果P-N结没有外加电压，那么这种由于两边的浓度差引起的多子载流子的相向扩散过程就不会无限延续下去。
随着电子由N区向P区扩散，带正电的施主离子留在了N区；同样，随着空穴由P区向N区扩散，带负电的受主离子留在了P区。
N 区与P区的带正电的施主离子和带负电的受主离子在冶金结的附近形成了一个内建电场，电场的方向由N区指向P区。
带正电的施主离子和带负电的受主离子所在的区域叫空间电荷区。
该区中的电子和空穴在相互扩散的过程中都被复合（中和）湮灭了，不存在任何可动的电荷，所以有时也称该区为耗尽区。
在没有完成扩散之前，内建电场的建立也不会完成。
扩散过程增大了内建电场，内建电场又进一步阻止了的扩散。
载流子的扩散过程和内建电场的建立过程是同时完成的，最终达到了平衡。
值得注意的是完成这一过程所需要的时间及其短暂。
半导体物理与器件(吕淑媛)课件章 (5)
第 5 章 PN 结 图 5.6 PN 结空间电荷区
第 5 章 PN 结
在空间电荷区会存在电场，电场的方向是由带正电的 N 区指向带负电的 P 区，由于这个电场不是外加的，而是内部 产生的，把这个电场称为内建电场。在内建电场的作用下，载 流子还要发生电场作用下的漂移运动，由于电场的方向是由 N 区指向 P 区，因此电子在电场的作用下由 P 区向 N 区运动， 空穴在电场的作用下由 N 区向 P 区运动。载流子漂移运动的 方向与扩散运动的方向恰好相反，也就是说内建电场的出现起 了阻碍载流子继续扩散的作用。
第 5 章 PN 结 图 5.4 扩散法制作 PN 结的过程
第 5 章 PN 结
和合金结相比，扩散结中的杂质分布要复杂得多，因为最 终的杂质分布是由扩散过程和杂质补偿来共同决定的。一般来 说，扩散结的杂质分布也不像合金结那样在交界面附近突然发 生变化，而是由一种导电类型逐渐过渡到另一种导电类型。扩 散结的杂质浓度分布如图5. 5 ( a )所示。其杂质分布可表示 为
第 5 章 PN 结
这样做的目的并不仅仅是使得费米能级达到统一，也是内建电 场的存在而导致的。由于内建电场的方向是由 N 区指向 P 区， 因此 N 区的电势高， P 区的电势低，因为电子带负电， P 区的电势能比 N 区的电势能高，而能带图则是按照电子的能 量高低表示的图示，因此 P 区的能带和 N 区相比上移，即表 示出 P 区的电势能比 N 区高，同时也实现费米能级的统一。
因此采用不同的制备工艺就会得到不同杂质分布的 PN 结， 一般来说，典型的 PN 结的杂质分布主要有突变结和线性缓变 结两种。
第 5 章 PN 结 5. 2 平衡 PN 结及其能带
在这一节中主要讨论平衡 PN 结的能带和在平衡状态下 PN 结的各种特性。
半导体器件物理 第五章总结
2, 理想MOS电容: 把MOS结构看作电容器,
SiO2为介质层,当施加- VG 时, 就感生电荷密 度为 QS,金属栅上 QG KOO O KS OS QS *这样半导体一侧平板电容器----充电.
SiO2 P-Si
KO: SiO2 介电常数; εoξo: 自由空间电容率; ξo: SiO2 中场强; KS: 半导体介电常数; ξS: 半导体表面处电势.
2
q si
KT
Ppo ni e
q si
2 KT
（1）
14
[5-1-4]强反型的条件（不以厚度为依 据，当ns=Pp0为强反型）
3.临界强反型条件的推导 对于P型硅体内空穴浓度
Ppo ni e
Ei E f KT
ni e
q f KT
（2）
比较（1）（2）式， ∴
q si q f 2
9
3,载流子的反型(半导体表面反型)
a. 当栅上施加较大电压 +VG(正表面势),产生附加 能-q ψs. 半导体表面处能 带将会向下弯曲更明显, b. 由于 能带向下弯曲, Ei 小 于Ef,,可使半导体表面处变 成N型半导体能带结构， 称之为反型.称对应的区域 为反型层”.
10
si 2 f
VG V0 S
即外加电压降落在一部分V0为绝缘层上电压降 Ψs为半导体上的电压降（表面势） 2.VG与半导体表面参量Qs,Ψs关系 MOS为理想结构，绝缘层内电场均匀分布，以ε0表示
V0 x0 0
22
由高斯定理：
K 0 0 QG
QG 改写成 V0 K 0
24
VGB ox S
dQG C d ox d S
固态器件理论（5）PN结
固态器件理论（5）PN结正文如果将一块P型半导体块与下图（a）中的N型半导体块接触，则结果将没有价值。
我们有两个相互接触的导电块，没有表现出独特的性能。
问题是两个单独且不同的晶体。
两个晶体块中的电子的数量与质子的数量相同。
因此，两个块都没有任何净电荷。
但是，在下图（b）中，一端为P型材料而另一端为N型材料制成的单个半导体晶体具有一些独特的性能。
P型材料具有正多数电荷载流子，空穴，它们可自由围绕晶格移动。
N型材料具有可移动的负多数载流子电子。
在结附近，N型材料电子扩散穿过结，并与P型材料中的空穴结合。
由于吸引了电子，结附近的P型材料区域带净负电荷。
由于电子离开了N型区域，因此它具有局部正电荷。
这些电荷之间的晶格薄层已经耗尽了多数载流子，因此被称为耗尽区。
成为非导电本征半导体材料。
实际上，我们几乎有一个绝缘体将导电的P和N 掺杂区分开。
（a）接触的P和N半导体块没有可利用的特性。
（b）掺有P和N型杂质的单晶形成势垒。
PN结处的电荷分离构成了势垒。
必须通过外部电压源克服该势垒，以使结导通。
结和势垒的形成发生在制造过程中。
势垒的大小取决于制造中使用的材料。
硅PN结具有比锗结更高的势垒。
PN结偏置在下图（a）中，电池的排列方式是使负极端子将电子提供给N型材料。
这些电子向结扩散。
正极端子将电子从P型半导体中移除，从而产生向结扩散的空穴。
如果电池电压足够大以克服结电势（Si中为0.6V），则N型电子和P型空穴会相互抵消。
这释放了晶格内的空间，使更多的载流子流向结。
因此，N型和P型多数载流子的电流流向结。
结点的重组使电池电流流过PN结二极管。
这种结点被称为前向偏置的。
如果电池极性如上图（b）所示相反，则多数载流子会从结点吸引到电池端子。
电池正极端子从结处吸引N型多数载流子电子。
负极端子从连接处吸引P型多数载流子，空穴。
这增加了非导电耗尽区的厚度。
没有多数载体的重组；因此，没有传导。
电池极性的这种排列称为反向偏置。
半导体器件中的PN结与晶体管原理
半导体器件中的PN结与晶体管原理半导体器件是当今电子技术中不可或缺的组成部分。
其中，PN结和晶体管原理是两个重要的概念，对于理解和应用半导体器件具有重要意义。
本文将从PN结的构成和特性入手，探讨其在晶体管原理中的应用。
一、PN结的构成与特性PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
P型半导体中的主要载流子是空穴，N型半导体中的主要载流子是电子。
当P型与N型半导体连接时，形成了PN结。
PN结的特性可以从以下几个方面来描述：1. 能带结构：在PN结中，由于P型和N型半导体的能带位置不同，形成了能带弯曲的情况。
在P区域，能量带中最高的占据带被空穴占据，而在N区域中，最低的导带则被电子填充。
这样，就会形成能量差，促使电子和空穴跨过能量壁垒。
2. 势垒区：PN结中由于能带的差异而形成了势垒区。
在势垒区中，空穴和电子被阻挡住，无法自由传导。
这种特性使得PN结具有单向导电的特点。
3. 正向偏置：当外加电压与PN结的势垒相反方向时，即正向偏置时，势垒会减小，减小到一定程度后，PN结就会导通，电流开始流动。
此时，空穴会从P区域流向N区域，电子则从N区域流向P区域。
4. 反向偏置：当外加电压与PN结的势垒方向相同时，即反向偏置时，势垒会增大，阻碍电流流动。
这种特性使得PN结在正常工作条件下具有斩波作用，用于电子设备中的稳压、整流、滤波等电路。
二、晶体管原理与应用晶体管是一种基于PN结的三层结构器件，由发射区、基区和集电区组成。
晶体管的工作原理是基于PN结在不同偏置情况下的特性。
晶体管可以充当放大器、开关和逻辑门等功能。
1. 放大器：当晶体管的发射区加上适当的正向偏置时，PN结的势垒会减小，使电流从发射区注入到基区。
这样，由于基区较薄，注入的小电流可以被放大为较大的电流。
因此，晶体管可以将弱信号放大，实现放大器的功能。
2. 开关：当晶体管的发射区与基区之间没有偏置时，PN结处于正常情况下，无法导通。
然而，当施加一个适当的电压到基区时，PN结会形成一个导通通道，允许电流从集电区流到发射区，实现开关的功能。
《微电子PN结》课件
PN结在微电子技术中的应用前景
微电子领域中有许多潜在的应用领域可以利用PN结的 性质。让我们一起展望PN结在未来的应用前景。
结论
通过本课件，我们详细了解了微电子PN结的概念、物理特性、应用以及制备与性能测试方法。希望这段旅程能为你 带来更多关于微电子世界的启发。
PN结的形成与材料的电阻率和掺杂浓度有关。该结还会导致结内电场的分布 出现特定模式。让我们一起探索PN结的物理特性。
PN结的应用
PN结的整流作用
PN结具有将电流限制在一个方 向的整流特性。我们将深入探 讨PN结整流的原理和不同类型 的整流电路。
PN结的光电转换作用
光电二极管是利用PN结在光照 下产生电流的器件。我们将探 索光电二极管的工作原理、应 用和光电转换效率。
PN结的放大作用
PN结在BJT晶体管中的应用使其 成为放大电路的基本元件。我 们将深入了解BJT晶体管的工作 原理以及放大电路的基本概念。
PN结的制备与性能测试
PN结的制备过程需要精确控制多个参数。在本节中，我们将讨论PN结的制备工艺流程，并介绍常用的性能测试方法 和结果分析。
PN结的发展趋势研究PFra bibliotek结材料及结构的发展趋势
微电子PN结
欢迎来到《微电子PN结》的PPT课件。本课件将详细介绍微电子PN结的概念、 物理特性、应用以及制备与性能测试方法。让我们一起来探索微电子世界的 奇妙之处吧！
引言
微电子技术的发展与应用已经深刻改变了我们的生活。在本节中，我们将介绍PN结的概念及其在微电子领域中的重 要作用。
PN结的物理特性
第五章半导体器件PN结
Ec Et
第一步： 电子由导带进入复合中心 Et； 第二步：
电子由复合中心进入价带（或空穴 被 Et 所俘获） 。
(一)
(二)
Ev
Semiconductor
Chapter 5
1．间接复合
电子由Ec→Et 第一步：
甲：Et 俘获电子的过程 —电子由 EcEt 乙： Et 发射电子的过程
(甲 ) (丙 )
一个空穴相遇的几率，通常称为复合系数
Semiconductor
Chapter 5
当 n = n0，p = p0 时，
r n0 p0 =热平衡态时单位时间、单位体 积被复合掉的电子、空穴对数 对直接复合，用 Rd 表示复合率 Rd = rdnp—非平衡 Rd=rdn0p0—热平衡 rd 为直接复合的复合系数
实际上，非平衡少子起重要作用。
Semiconductor
Chapter 5
非平衡载流子的复合：产生非平衡载流子的 外部作用撤除后，由于半导体的内部作用， 使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载 流子消失，这一过程称为~
实际上，任何时候电子和空穴 总是不断产生和复合。
Semiconductor
Chapter 5
Semiconductor
Chapter 5
R 光 照 半 导 体
V I Rr
外
R≥r r △r △V
光注入引起附加光电导
Semiconductor
Chapter 5
0 无光照时 ：
n0 q n p0 q p
0
1
0
有光照后 ：
0
1
Semiconductor
Semiconductor
晶体管pn结
PN结：晶体管中的基本元件及其工作原理晶体管是一种常用的半导体器件，其基本结构和工作原理都与PN结有着密切的关系。
下面将对PN结的基本概念、特性以及在晶体管中的应用进行详细的介绍。
一、PN结的基本概念在半导体材料中，P型和N型半导体是通过不同的掺杂剂掺入硅或锗材料中得到的。
P型半导体是指掺入3价元素（如硼、镓等），其空穴浓度高于背景半导体，而N型半导体则是指掺入5价元素（如磷、砷等），其电子浓度高于背景半导体。
PN结是指将P型半导体和N型半导体通过一定的方式连接起来形成的界面。
二、PN结的特性.平衡状态：在没有外加电压的情况下，PN结的内部电场和载流子分布处于平衡状态。
此时，载流子的扩散和漂移速率相等，界面处没有净电荷积累。
.正向偏置：当外加电压使得P型端的电位高于N型端的电位时，称为正向偏置。
此时，载流子将从P型侧向N型侧扩散，导致N型侧的电子浓度增加，P型侧的空穴浓度增加。
随着外加电压的增加，扩散电流将逐渐增加，直至达到动态平衡状态。
.反向偏置：当外加电压使得N型端的电位高于P型端的电位时，称为反向偏置。
此时，载流子将从N型侧向P型侧漂移，导致P型侧的空穴浓度增加，N型侧的电子浓度增加。
随着外加电压的增加，漂移电流将逐渐增加，直至达到动态平衡状态。
.击穿：当外加电压超过一定限度时，PN结内部的电场将变得很强，导致载流子加速运动并产生大量的热能，最终导致PN结烧毁或损坏。
三、PN结在晶体管中的应用晶体管的基本结构是由两个PN结组成的。
以NPN晶体管为例，其结构如下：.发射区（Emitter）：位于晶体管的顶部，是高掺杂的N型半导体。
载流子在此区域产生并注入到基区。
.基区（Base）：位于发射区和集电区之间，是低掺杂的P型半导体。
这个区域的作用是控制电流并引导载流子从发射区流向集电区。
.集电区（Collector）：位于晶体管的底部，是高掺杂的N型半导体。
载流子在此区域被收集，并通过电极与外部电路连接。
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势垒两边的少子扩散流密度
np
xp
np0
exp
qVf kBT
np0
pn
xn
pn0
exp
qVf kBT
pn0
jn
Dn Ln
np0
exp
qVf kBT
1
jp
Dp Lp
pn0
exp
qV f kBT
1
电流密度和电压的关系
J Jn (xp ) J p (xn )
二极管的正向压降
• 二极管作为开关应用还需要考虑正向电压。 • 二极管导通状态是大电流工作区，它的正向电压包括：结压降、非平衡载流
子扩散区压降和电中性区体电阻压降。 • 理想结压降为：
Vj
kT q
ln
I I0
1
影响二极管开关特性的因素
• 低掺杂区的掺杂浓度高：截止电流小、小电流正 向阈值电压高而大电流时串联电阻压降小、击穿 电压低、非平衡少子寿命短开关速度快。
减少散射、可在低温下工作。
习题
• 试用窄势垒模型推导出PN结的伏安特性：
J (xn )
Jn (xn )
J p (xn )
q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p0
exp
qVf kBT
1
• 以上结果成立的条件有那些？对N+P结上式可
以简化成？
• 如果N区足够厚，那么势垒边界非平衡空穴的 扩散电流密度应该和N区非平衡空穴的复合率 有关，试利用该关系计算扩散电流密度。
pn0
p0 (x)
ni
exp
Ei EF kBT
pp0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
当
x
= xn
pn0
时
pV(px0)e=xVpD
qVD kBT
同理
n0
(
x
)
n
p
0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
np0
nn0
exp
qVD kBT
正向电压下的窄势垒模型
• 势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子 准费米能级保持水平；
np
20
exp
qV f kT
1
pn10
ni21 N1D
exp
Eg1 kT
np20
ni22 N2A
exp
Eg 2 kT
jn jp
exp
Eg 2 Eg1 kT
•高电子迁移率晶体管
HEMT
•迁移率高 •低温工作
重点内容
• E-k能带图(本征特性)，E能带图（均匀半导体杂质缺陷能级），E-x 能带图（非均匀半导体，包括同质结、异质结等。常见于半导体器 件中）
• 势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载 流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费 米能级。该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化 大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性
• 假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势 垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
• 因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区 边界计算电流。
2kBT
ND NA
势垒宽度
xD
2
q
0
VD V
NA
1/ 2
PN结雪崩击穿
• 强电场下 载流子倍增：
• 对突变结， 击穿电压：
VBR
0 r
2q
Ec2 N eff
Ec = 2~5105 V/cm
• 反向电压使P区价带 和N区导带重叠。
• 量子力学计算发生 隧道效应的几率
隧道击穿
P
exp
8
• 平衡态：电子、空穴费米能级统一、水平。 • 势垒电容和扩散电容的表达式。 • 理想PN结伏安特性、成立的条件及实际非理想因素影响。 • 隧道击穿和雪崩击穿的机制及发生的条件。 • 提高PN结二极管开关特性的途径。 • 金－半肖特基二极管的突出优点：正向阈值电压低、没有非平衡载
流子储存效应（没有扩散电容）。 • 采用异质PN结提高发射系数的原理。 • 用二维电子气制造高电子迁移率晶体管的突出优点：
• 势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流， 非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
• 在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平 衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
载流子流动情况
jn扩
np xp
jn扩 jn漂
j p扩 j p漂
pn xn
注意：图中j是粒子流密度而不是电流密度
j p扩
外电场
反阻挡层
• 电子发射理论：
伏安特性
J(V ) A*T 2 expqns kT expqV kT 1
•
•
没有非平衡载流子，也就没有扩散电容，所以开关速度快；
阈值电压低； JST exp qV kT 1
• 反向漏电流A大* =，1击20穿(m电n*压/m低0)。Acm-2K-2
表面能级
• 半导体表面存在悬挂键，有表面态。 • 表面态中载流子分布也可以用费米
平衡PN结能带图
• 空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷 区正负电荷相等；
• 空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差； • 热平衡情况下费米能级保持水平； • 空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。在该区域：
导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
PN结电容
• 外加电压变化对空间电荷区充放电，称为势垒
电容。对突变结，耗尽层近似（忽略空间电荷区载流子电 ： 荷的贡献）
x CT
dQT dV
2
0 r q
VD Vr
N NA
AND ND
1/
2
0r D
• 外加电压变化使扩散区非平衡载流子浓度变化
的过程，称为扩散电容：
CD
dQD dV
qIF n
q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p
0
exp
qVf kBT
1
低压反向
• 上面的结果也适合于低压反向的情况
还需要考虑的非理想因素
• 小电流：势垒复合（复合 寿命）
• 大注入：扩散区电压降(双 极扩散显著引起非平衡载 流子空间电荷区电压降）
• 大电流密度：串连电阻 （电中性区压降）
• 反偏压：势垒区产生（产 生寿命）
平衡PN结两边载流子浓度的关系
p0
NV
exp
EF EV kBT
n0
NC
exp
EC EF kBT
VD
k BT q
ln
ND N A ni2
pn0
pp0
exp
qVD kBT
np0
nn0
exp
qVD kBT
平衡 PN 结中载流子浓度分布
pp0
耗尽层
nn0
p(x)
n(x)
np0
• 试比较PN结、金－半结、异质结。
第五章 结
• 平衡态PN结； • PN结的伏安特性； • PN结的电容 ； • PN结的击穿特性 ； • PN结二极管的开关特性； • 金-半肖特基接触和欧姆接触 ； • 异质结：
半导体器件的基
本结构－PN结、 金半结和异质结
PN结空间电荷区
• 由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动， 载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区 域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度， 有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
• 在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡 情况下净电流为零。
空间电荷区的电场和电势
普通物理讲过泊松方程
电势V 和空间电荷密度分布之间的关系是：
d 2V
x
，2V
dx2
r0
r0
电场E和空间电荷密度之间的关系是：
dE x ，E
dx r0
r0
只要知道空间电荷分布ρ就可以用泊松方程计算电场 和电势分布，还可以计算出势垒高度和宽度。 在耗尽层近似的情况下，空间电荷分布近似等于电离 施主或受主的杂质浓度分布。
3
2mn* h2
1/ 2
E
1/ g
2
x
隧道二极管
• PN结两边重掺杂, 以致平衡态能带图 P区价带顶和N区导 带的重叠。
二极管作为开关应用
• 连接示意图
PN结二极管的开关特性
• 理想的开关在导通的时候开关的两端应该没有电 压差，而断开的时后应该没有电流流过；从导通 到截止或截止到导通的切换应该是和控制信号同 步的；截止时能够承受高电压，导通时要能够承 受大电流。
能级表示它的填充水平。 • 平衡情况下表面和体内有统一的费
米能级。 • 在表面态密度很大的时，金属和半
导体接触的表面势取决于表面态的 费米能级位置和金属功函数无关。
镜象效应和隧道效应
• 镜象效应
• 隧道效应
平衡异质结能带图
• 提高发射系数：
应用举例
j
q
Dp1 Lp1
pn10
Dn2 Ln2
• 低掺杂区厚度薄：大电流时串联电阻小、储存电 荷少、开关速度快、如果比击穿电压时耗尽层宽 度薄就会降低击穿电压。
• 缩短非平衡载流子寿命：提高开关速度、增大截 止电流和增大正向压降。
• 增大结面积：增大工作电流、降低开关速度。
金－半肖特基结
• 平衡能带图
（Wm > Ws）
Wm < Ws态，类似一个开关作 用。但是它导通的时后两端有电压降，截止状态 还有电流，状态的切换过程有一定的时间延迟， 反向电压高了会击穿，导通电流大了会烧坏