半导体物理第六章1

第6章 pn结

把一块p型半导体和一块n型半导体键合在一起，就形成了pn结。pn 结是几乎一切半导体器件的结构基础，了解和掌握pn结的性质具有很重要的实际意义。

§6.1 pn结及其热平衡状态下的能带结构

一、pn结的形成及其杂质分布

半导体产业形成50余年来，已开发了多种形成pn结的方法，各有其特点。

1、合金法

把一小粒高纯铝置于n型单晶硅片的清洁表面上，加热到略高于Al-Si 系统共熔点（580℃）的温度，形成铝硅熔融体，然后降低温度使之凝固，这时在n型硅片的表面就会形成—含有高浓度铝的p型硅薄层，它与n型硅衬底的界面即为pn结(这时称为铝硅合金结)。欲在p型硅上用同样的方法制造pn 结，须改用金锑（Au-Sb）合金，即用真空镀膜法在p型硅的清洁表面镀覆一层含锑0.1%的金膜，然后在400℃左右合金化。

合金结的特点是合金掺杂层的杂质浓度高，而且分布均匀；由于所用衬底一般是杂质浓度较低且分布均匀的硅片，因此形成的pn结具有杂质浓度突变性较大的特点，如图6－1所示。具有这种形式杂质分布的pn 结通常称为单边突变结(p+n结或pn+结)。

合金结的深度对合金过程的温度和时间十分敏感，较难控制。目前

已基本淘汰。

N(x)

N D

N A

x j

x

N A

图6－1 合金结的杂质分布图6－2 扩散法制造pn结的过程

x j

N D

2、扩散法

1956年发明的能精确控制杂质分布的固态扩散法为半导体器件的产业化及其后的长足发展奠定了基础。扩散法利用杂质原子在高温下能以一定速率向固体内部扩散并形成一定分布的性质在半导体内形成pn结。由于杂质在某些物质，例如SiO2中的扩散系数极低，利用氧化和光刻在硅表面形成选择扩散的窗口，可以实现pn结的平面布局，如图6－2所示，从而诞生了以氧化、光刻、扩散为核心的半导体平面工艺，开创了以集成电路为标志的微电子时代。

用扩散法形成的杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在表面杂质浓度不变的条件下形成的是余误差分布，在杂质总量不变的条件下形成的是高斯分布，如本节后的附图所示。

3、其他方法

形成pn结的方法还有离子注入法、外延法和直接键合法等，而且这些方法已逐渐成为半导体工业的主流工艺。《半导体工艺》课程将详细介绍，这里不赘述。

4、pn结的杂质分布 pn结的杂质分布一般可近似为两种，即突变结和线性缓变结。合金pn结、高表面浓度的浅扩散结、用离子注入、外延和直接键合法制备的结一般可认为是突变结，而低表面浓度的深扩散结一般视为线性缓变结。直接键合法制备的突变结是最理想的突变结。

图6－3 扩散结的杂质分布形式

x j

x

N D

N A(0)

x j

x j

N D

N A(x)

N A(x)

N A(0)

N A(0)

N D

x

x

N D

x j

x

N D

N A

x j

x j

二、pn结的空间电荷区与内建电场

考虑两块半导体单晶，一块是n型，一块是p型。独处的n型和p型半

导体靠电离杂质和少数载流子与其多数载流子保持电中性。但当这两块半导体紧密结合形成pn结时，其间的载流子密度梯度导致空穴从p区向n 区、电子从n区向p区扩散。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性。因此，在pn结附近的p 型侧出现了一个负电荷区。同理，在pn结附近的n 型侧出现了由电离施主构成的正电荷区。通常把pn结附近的这些由电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，所在区域称为空间电荷区。空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。

随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，两种载流子的扩散电流和漂移电流各自大小相等、方向相反而抵消。因此没有净电流流过pn结。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展而保持一定的宽度和一定的内建电场强度。一般称这种情况为热平衡状态下的pn结。

三、热平衡状态下的pn结能带结构

1、能带弯曲

当两块半导体结合形成pn结时，按照费米能级的意义，系统应有统一的费米能级E F。这是通过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，使E Fn下移，E Fp上升，直至E Fn＝E Fp来实现的。随着费米能级的移动，空间电荷区外的整个能带随之平移，从而导致空间电荷区内能带弯曲，使空间电荷区费米能级与导带底和价带顶的距离处处不同，如图6-4所示。事实上，空间电荷区的能带弯曲是内建电场的结果。由于内建电场从n指向p，空间电荷区内电势V(x)由n 向p降低（E=－dV/dx），电子的电势能－qV(x)则由n向p升高，即p区能带相对n区上移，直至费米能级处处相等。由于能带弯曲，电子从势能低的n区向p区运动时面临这一势能变化形成的势垒。同样，空穴要从p 区向n区运动时也会受到这个势垒的阻挡。

图6-4 热平衡状态下pn结的能带图

2、热平衡pn结的费米能级

本小节进一步证明热平衡状态下pn结中费米能级处处相等。

热平衡pn结中不存在外加电场，但存在自建电场。就电子而言，这时流过pn结的总电子电流密度J n应等于由载流子密度差引起的电子扩散电流密度和自建电场产生的电子漂移电流密度之和，即

（6－1）由

（6－2）得

（6－3）将式（6－3）代入式（6－1）并考虑到D n＝kTμn/q，得

（6－4）其中

（6－5）表示自建电场引起的能带弯曲。所以，式（6－4）实为

（6－6）因为热平衡状态下J n＝0，上式表明热平衡时

（6－7）对空穴电流也可得到类似结果，即

（6－8）

3、广义欧姆定律

对n=n0+n、p=p0+p的非平衡pn结，用同样的推演可得到类似结果：

；（6－9）以上两式被称作广义欧姆定律。该式表明，若费米能级随位置变化，则pn结中必有电流；当电流密度一定时，载流子密度大的地方，E F 随位置变化小，而载流子密度小的地方，E F随位置变化就较大。

四、pn结的接触电势差