最新第二章-PN结
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第2章 PN结
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对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V
对于硅PN结，通常可取 VD=0.6—0.7V
23
2.1.2 PN结的形成过程
扩散法制造PN结过程
N P
N-Si P-Si
杂 质 浓 度
ND -NA
PN结两边的杂质浓度是非均匀的 常按照一定的函数规律而变化。
xj
x
在一块N型硅片上用化学方法涂敷一层含有Al2O3的乙醇 溶液，在红外线灯下干燥后，置于1250℃的扩散炉中进行高 温处理若干小时，然后缓慢降温。 24
35
2.1.3平衡PN结的载流子浓度分布
平衡PN结势垒区两侧载流子浓度 Eip Ein qVD nn 0 exp P区电子浓度 n p 0 nn 0 exp kT kT
qVD N区空穴浓度 pn 0 p p 0 exp kT
空间电荷不能移动，也不能传导电流。
10
一、空间电荷区的形成
2.1.1 平衡PN结能带图
内建电场E内： 空间电荷所产生的电场， 此电场不是由外部因素引起的，而是由PN结内部 载流子运动形成的，由N区指向P区。
PN结的内建电势(接触电势)VD 由内建电场所导致的N区和P区的电位差。
11
平衡PN结能带图
ND N A
杂 质 浓 度
2.1.2 PN结的形成过程
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
x
0
x
xj
dN ( x) a j dx
x x j
ND N A a j x x j
x
26
缓变结
A．线性缓变结近似
第2章_PN结
kT dn 由爱因斯坦关系 可得 Edx q n
kT 上式在整个势垒区积分 Edx xp q
xn
E
dV dx
n xn kT kT nn 0 V xn V x p ln ln q np0 n xp q
V xn V x p VD N D nn 0 N A p p0
第2章 PN 结
1
第2章 PN 结
PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。 PN结中的载流子既有漂移运动，又有扩散运动； 既有产生，又有复合，这些性质集中反映在半导体 的导电特性中。
P区 NA
N区 ND
2
第2章 PN 结
1、PN 结的形成
在同一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定 的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块 单晶相连的二个不同区域分别具有N型区和P型区的 导电类型，在二者交界面以及交界面两侧的过渡区 即称为PN结。
40
（4）玻尔兹曼边界条件
即在势垒区两端，载流子分布满足玻尔兹曼分布。
（5）忽略半导体表面对电流的影响。
（6）只考虑一维情况。
41
理想PN结的伏安特性
正向偏压V＞0时，P区边界-xp处的非平衡少子浓度
qV qVD qV n p x p n p 0 exp nn 0 exp kT kT P区边界 x x p 处的过剩载流子浓度
（1）小注入条件
满足下列条件的PN结）
即注入的非平衡少子浓度比平衡多子浓度小得多；
（2）耗尽层近似
即外加电压都降落在耗尽层（势垒区）上，耗尽层 以外的半导体是电中性的，因此注入的少子在 P区 和N区只作扩散运动；
第二章pn结.
➢ 反偏pn结空间电荷区内载流子浓度np < ni2, 有电 子-空穴对的净产生，出现产生电流，pn结的反向电 流特性应进行修正。
相向的箭头表示电子-空穴对的复合 相去的箭头表示电子-空穴对的产生
假设： 1. 半导体复合中心能级与本征费米能级重合； 2. 电子与空穴寿命相同；
可由公式（1.111） 净复合率
正向偏置 ：偏置电压为p区电位高于n区电位（p正n负） 反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位（p负n正）
特征：与平衡pn结相比，空间电荷区内电场发生变化----破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；空间电荷区 宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化；
结论：形成电流
正偏pn结
正偏pn结空间电荷区变窄
n(x)
ni
exp[
EF
Ei kT
(x)]
p(
x)
ni
exp[
Ei
(x) kT
EF
]
n(x)p(x)ni2
n(xp)np0nn0exp(k qT V D) n(xn)pn0pp0exp(k qT V D)
总结：平衡态时PN结的载流子浓度分布
pp0
ni
exp(
Ei EF k。
② 空间电荷区外是电中性的，与空间电荷区内相比，电阻率很小， 可近似为零。
③ 空间电荷区边界是突变的。
➢ 平衡态pn结能带图及载流子浓度分布
1.平衡态pn结的接触电势差
在 p区 中 性 区
Ei
EF
kT
ln
pp0 ni
在 n区 中 性 区
pp0
ni
e
x
p
(
E
i
kT
E
F
相向的箭头表示电子-空穴对的复合 相去的箭头表示电子-空穴对的产生
假设： 1. 半导体复合中心能级与本征费米能级重合； 2. 电子与空穴寿命相同；
可由公式（1.111） 净复合率
正向偏置 ：偏置电压为p区电位高于n区电位（p正n负） 反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位（p负n正）
特征：与平衡pn结相比，空间电荷区内电场发生变化----破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；空间电荷区 宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化；
结论：形成电流
正偏pn结
正偏pn结空间电荷区变窄
n(x)
ni
exp[
EF
Ei kT
(x)]
p(
x)
ni
exp[
Ei
(x) kT
EF
]
n(x)p(x)ni2
n(xp)np0nn0exp(k qT V D) n(xn)pn0pp0exp(k qT V D)
总结：平衡态时PN结的载流子浓度分布
pp0
ni
exp(
Ei EF k。
② 空间电荷区外是电中性的，与空间电荷区内相比，电阻率很小， 可近似为零。
③ 空间电荷区边界是突变的。
➢ 平衡态pn结能带图及载流子浓度分布
1.平衡态pn结的接触电势差
在 p区 中 性 区
Ei
EF
kT
ln
pp0 ni
在 n区 中 性 区
pp0
ni
e
x
p
(
E
i
kT
E
F
第2章_2_PN结
2.反向偏压作用 2.反向偏压作用
外加偏压几乎全落在空 间电荷区上. 间电荷区上.方向与空间 电荷区内建电场一致, 电荷区内建电场一致,使 空间电荷区变宽，相应 势垒高度也由qV 势垒高度也由qVD增至 q(VD+V)。 +V)。 由于电场增强，加强了 载流子的漂移运动，打 破了原先已达成的扩散 电流和漂移运动之间的 平衡。
2.3.4 pn结电容 pn结电容
PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN 结的高频应用。
1. pn结势垒电容 pn结势垒电容
（1）pn结势垒电容定性分析 pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒 区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充 放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容， 记为C 记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关， 是一个可变电容。 dQ CT = dV
由于少子浓度很低，扩散长度为一定值， 所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度 较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少 子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度 梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 外加电压的增加电流趋于饱和。
I = A(
qDnnp0 Ln
qDPP 0 kT n + )(e −1) = IS (ek pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和 分别为P区和N 少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。
Ln = Dnτ n
PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子， PN结在平衡状态下，在N 空穴是少子，在P 空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子 是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩 散，N型区的电子向P型区扩散。P 散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区 边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带 正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动， 它们就在P 它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空 间电荷区。
第二章 PN结
（3）推论(tuīlùn)
pP0
nN 0
qVD
e kT
pN 0 nP0
精品资料
2.1. 6 平衡(pínghéng)PN结耗尽层的厚度和电场、 电势分布
突变结近似： N型一侧有ND＝常数，P型一 侧有NA＝常数，在界面处突 变。 耗尽层近似： 空间电荷区的载流子完全
(wánquNánD),耗尽。0n=px=0 xn NA, xp x 0 0, x xn or x xp
为电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通
过势垒区的电流(diànliú)密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流(diànliú)的影响。 （5）只考虑一维情况。
精品资料
2.2.4、V-I 特性(tèxìng)方程
2.坐标 以耗尽层中N、P交界处 为原点建立坐标系。
步骤： →求“非少子”浓度的边界值； 求解“非少子”的连续性方程； →求“非少子”浓度梯度； →分别求电子、空穴的扩散
N区 jp
Lp
精品资料
正偏电流方向
空穴(kōnɡ xué)漂移 电子漂移
P
N
电子(diànzǐ)扩散
空穴扩散
精品资料
2.2.2、反向(fǎn xiànɡ)PN结
（1）反向PN结势垒变化
反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移(piāo yí)运动平衡 漂移(piāo yí)运动强于扩散运动 抽取少子
利用Poisson方程，可求出空间电荷区的电场、电势分布及厚度。
精品资料
2.1. 6 平衡PN结耗尽层的厚度和电场、电势 (diànshì)分布
精品资料
2.1. 6 平衡PN结耗尽层的厚度和电场(diàn chǎng)、 电势分布
pP0
nN 0
qVD
e kT
pN 0 nP0
精品资料
2.1. 6 平衡(pínghéng)PN结耗尽层的厚度和电场、 电势分布
突变结近似： N型一侧有ND＝常数，P型一 侧有NA＝常数，在界面处突 变。 耗尽层近似： 空间电荷区的载流子完全
(wánquNánD),耗尽。0n=px=0 xn NA, xp x 0 0, x xn or x xp
为电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通
过势垒区的电流(diànliú)密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流(diànliú)的影响。 （5）只考虑一维情况。
精品资料
2.2.4、V-I 特性(tèxìng)方程
2.坐标 以耗尽层中N、P交界处 为原点建立坐标系。
步骤： →求“非少子”浓度的边界值； 求解“非少子”的连续性方程； →求“非少子”浓度梯度； →分别求电子、空穴的扩散
N区 jp
Lp
精品资料
正偏电流方向
空穴(kōnɡ xué)漂移 电子漂移
P
N
电子(diànzǐ)扩散
空穴扩散
精品资料
2.2.2、反向(fǎn xiànɡ)PN结
（1）反向PN结势垒变化
反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移(piāo yí)运动平衡 漂移(piāo yí)运动强于扩散运动 抽取少子
利用Poisson方程，可求出空间电荷区的电场、电势分布及厚度。
精品资料
2.1. 6 平衡PN结耗尽层的厚度和电场、电势 (diànshì)分布
精品资料
2.1. 6 平衡PN结耗尽层的厚度和电场(diàn chǎng)、 电势分布
半导体器件物理(第二章-PN结)
PN结载流子浓度分布
n(x) n n 0
p p0
p(x)
n p0 xP
pn0 xN
空间电荷区中载流子浓度分 布是按指数规律变化的，变化 非常显著，绝大部分区域的载 流子浓度远小于两侧的中性区 域，即空间电荷区的载流子基
x 本已被耗尽，所以空间电荷区
又叫耗尽层。
2.2 PN结的直流特性
2.2.1 PN结的正向特性
2.1 平衡PN结
2.1.3 PN结的接触电势差与载流子分布
PN结的接触电势差
U (x)
UD
P区
N区
达到平衡状态时，如果P
区和N区的电势差为UD，则 两个区的电势能变化量为
qUD，其中UD称为PN结的接 触电势差，qUD就是势垒高 度。
xP
0 xN
x
UD kqTlnND niN2 A
2.1 平衡PN结
np(xP)np0expqk(U T) pn(xN)pn0expqk(U T)
我们看到，正向偏置的PN结边界处的少子浓度，等 于体内平衡少子浓度乘上一个指数因子。也就是说，势 垒区边界积累的少数载流子浓度随外加电压按指数规律 增加。
2.2 PN结的直流特性 3.PN结正向电流电压关系
空穴扩散电流密度
J Jp
n n(xP )
p
p(xN )
pn0
Ln
0 0 Lp
x
J Jn Jp Jn
0
xP xN
x
非平衡少子注入后，在 边界附近积累，形成从边 界到内部浓度梯度，并向 体内扩散，同时进行复合， 最终形成一个稳态分布。
扩散区中的少子扩散电 流都通过复合转换为多子 漂移电流。
2.2 PN结的直流特性
n(x) n n 0
p p0
p(x)
n p0 xP
pn0 xN
空间电荷区中载流子浓度分 布是按指数规律变化的，变化 非常显著，绝大部分区域的载 流子浓度远小于两侧的中性区 域，即空间电荷区的载流子基
x 本已被耗尽，所以空间电荷区
又叫耗尽层。
2.2 PN结的直流特性
2.2.1 PN结的正向特性
2.1 平衡PN结
2.1.3 PN结的接触电势差与载流子分布
PN结的接触电势差
U (x)
UD
P区
N区
达到平衡状态时，如果P
区和N区的电势差为UD，则 两个区的电势能变化量为
qUD，其中UD称为PN结的接 触电势差，qUD就是势垒高 度。
xP
0 xN
x
UD kqTlnND niN2 A
2.1 平衡PN结
np(xP)np0expqk(U T) pn(xN)pn0expqk(U T)
我们看到，正向偏置的PN结边界处的少子浓度，等 于体内平衡少子浓度乘上一个指数因子。也就是说，势 垒区边界积累的少数载流子浓度随外加电压按指数规律 增加。
2.2 PN结的直流特性 3.PN结正向电流电压关系
空穴扩散电流密度
J Jp
n n(xP )
p
p(xN )
pn0
Ln
0 0 Lp
x
J Jn Jp Jn
0
xP xN
x
非平衡少子注入后，在 边界附近积累，形成从边 界到内部浓度梯度，并向 体内扩散，同时进行复合， 最终形成一个稳态分布。
扩散区中的少子扩散电 流都通过复合转换为多子 漂移电流。
2.2 PN结的直流特性
第二章 PN结
p pokTຫໍສະໝຸດ p po Vbi ln q pno
由于 p po
ni2 ni2 N A ，pno ，故得： nno N D
kT N A N D Vbi ln q ni2
由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。 在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的 约为 0.35V 。最后可得： 1
xd
也
3. 平衡的p-n结能带与载流子分布
1）平衡PN结能带
自建场和自建势
P区 N区
NApp0
NA-
ND+
nn0
x
xn
xp
dx C
dp J p qD p q p p 0 dx
dE f dx 0
1）p区导带底比n区高qVbi， P区价带顶比N区高qVbi 2）禁带宽度Eg保持处处相等 3）势垒区内能带弯曲 4）有统一的费米能级
可见：
空穴扩散：P 区 电子扩散：P 区
p po ni pno nno ni n po
N区 N区
扩散电流方向为：P 区
N区
P区留下 N A ，N区留下 N D ，形成 空间电荷区。空间电 荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由N 区指向P 区。电场 的存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。 扩散电流： P 区 漂移电流： P 区 N区 N区
0 max
q
s
xn N D
q
s
s
xp NA
由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度：
xn
s
qN D
max ,
xp
qN A
由于 p po
ni2 ni2 N A ，pno ，故得： nno N D
kT N A N D Vbi ln q ni2
由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。 在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的 约为 0.35V 。最后可得： 1
xd
也
3. 平衡的p-n结能带与载流子分布
1）平衡PN结能带
自建场和自建势
P区 N区
NApp0
NA-
ND+
nn0
x
xn
xp
dx C
dp J p qD p q p p 0 dx
dE f dx 0
1）p区导带底比n区高qVbi， P区价带顶比N区高qVbi 2）禁带宽度Eg保持处处相等 3）势垒区内能带弯曲 4）有统一的费米能级
可见：
空穴扩散：P 区 电子扩散：P 区
p po ni pno nno ni n po
N区 N区
扩散电流方向为：P 区
N区
P区留下 N A ，N区留下 N D ，形成 空间电荷区。空间电 荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由N 区指向P 区。电场 的存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。 扩散电流： P 区 漂移电流： P 区 N区 N区
0 max
q
s
xn N D
q
s
s
xp NA
由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度：
xn
s
qN D
max ,
xp
qN A
002第二章 PN结
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。
给出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。
解：在n x x =处 ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn in n FP i i nn exp exp()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 而()()()000n n n n nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+∆≈∆=+∆=+ （n n n p ∆=∆）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=∆+⇒=∆+2001TV V n i n n n p n p e n n ⎛⎫⇒+=⎪⎝⎭ T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为一般结果) 小注入：（0n n n p <<∆）T T V V n V V n i n e p e n n p 002== ()002n n i p n n =大注入： 0n n n p >>∆ 且 n n p p ∆= 所以 TV V inen p 22=或 TV Vi n en p 2=2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程20lni ad T p n n N N V =-=ψψψ。
解：净电子电流为()n nn nI qA D n xμε∂=+∂ 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dxψε=-所以nn d n n D dx x ψμ∂=∂，又因为n T nDV μ=（爱因斯坦关系） 所以dn nV d T=ψ， 从n p x x →-作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =∆。
第2章 P-N结
xj 0 x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
图 2.2 突变结与线性缓变结
第二章 P-N结
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
n
E
扩散 q 0
p
EC
n
漂移
EC EF EV
p
扩散 漂移
EF EV
n
EC EF Ei EV
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
8. 热平衡PN结能带图。 画能带图的依据： (1) 费米能级恒定。于是N侧中性区费米能级EFn相 对P侧中性区费米能级向下移动EFn-EFp。 (2) N侧各个能级（EC、EV及真空能级E0）与EFn平 行地向下移动EFn-EFp。 (3) 在空间电荷区，真空能级连续。除费米能级 外，各个能级与真空能级平行。
2.1 热平衡PN结
小结
6. 势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒qψ 0，P区 空穴进入N区也需要克服势垒qψ 0。于是空间电荷 区又叫做势垒区。
7.
中性区：PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。 在杂质饱和电离情况下，中性区自由载流子浓度 与杂质浓度相等，不存在电场。
2.1 热平衡PN结
小结
Nd n VT ln ni
（2-5）
P型中性区，令（2-4）中Nd=n=0,代到（2-2b）, P型中性区的电势 Na
p VT ln
ni
（2-6）
N型中性区与P型中性区之间的电势差为
0 n p VT ln
Nd Na ni2
（2-7）
2.1 热平衡PN结
小结
方法二:(费米能级恒定) 费米能级恒定，热平衡PN结具有统一费米能级。 形成PN结，费米能级恒定要求N区费米能级相对P区 费米能级下降，则原费米电势差即PN结中N型与P型 中性区间电势差 0 。
第二章PN结（ＰＤＦ）
二、 PN结加工方式与杂质分布 1. 突变结
P区
N区
z 单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂
质 浓
NA
度
ND
xj
x
5
2.1平衡PN结
2.1.1、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
ND -NA
度
N-Si
P-Si
xj
x
缓变结 6
2.1平衡PN结 2.1.1、PN结结构与杂质分布
23
2.2 理想PN结的伏安特性 2.2.3 理想PN结的伏安特性
一、理想PN结模型 A. 小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远低 于平衡多子浓度（即掺杂浓度）。 B. 外加电压全部降落在势垒区。势垒区以外为电 中性区。 C. 忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势垒 区的电流密度不变。 D. 忽略半导体表面对电流的影响。 E. 只考虑一维情况。
nP0
( ) ( ) ΔnP xP = nP0 eqV / KT −1 ( ) ( ) ΔpN xN = pN 0 eqV / KT −1
xP xN
P区 nP(xP)
N区 空 间 电 荷 区
pN(xN)
xP xN
27
2.2 理想PN结的伏安特性
2.2.3 理想PN结的伏安特性
二、V-I 特性方程 1、载流子浓度分布
二、V-I 特性方程
2、非平衡PN结V-I特性———肖克莱方程
PN结N区边界处少子扩散电流密度
由：j p
=
q
⋅
Δp
(0)
⎛ ⎜⎜⎝
Dp Lp
⎞ ⎟⎟⎠
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺：
外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。
任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。
2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。
3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。
电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。
PN结自建电场：在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。
7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压：P负N正9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。
于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。
中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
第2章_PN结
PN结的内建电势(接触电势) 0 由内建电场所导致的N区和P区的电位差。
15
平衡PN结能带图
P
2.1.1 平衡PN结能带图
空间电荷区
N
xp
内建电场
0
xn
: 接触电势差 （内建电势）
电位 电子的电势能
0
q 0
空间电荷区又称 势垒区 耗尽层
qVD EFN
EC Ei EF EV Ei EV
因此只要电场足够强价带的电子就可以大量穿透禁带进入导带引起隧道击穿是不随位置变化的而能带的倾斜反映了电子位能qvx的变化所以有隧道长度ddv电场强度8484易于发生隧道击穿平均自由碰撞倍增次数易于发生雪崩击穿8585雪崩击穿电压隧道击穿电压86隧道击穿仅取决于最大电场e不受光照影响温度升高击穿电压下降雪崩击穿与电场e有关受光照影响温度升高击穿电压升高q时两种击穿机构同时起作用击穿电压高于6eq时击穿机构是雪崩击穿击穿电压低于4eq时击穿机构是隧道击穿8787热损耗热损耗局部升温局部升温电流增加电流增加破坏性击穿
2
扩散积累的载流子数
复合消失的载流子数
含义：稳态扩散时，单位时间、单位体积内扩散积累的少子 数目等于复合损失的少子数目
43
空穴扩散区 少子连续性方程 其通解为
d p n p n p n 0 Dp 0 2 p dx
2
pn x pn x pn0 Ae
P
－＋ －＋ －＋
N －
＋
正向PN结
－－ ＋＋ －－ ＋＋ －－ ＋＋
P
N
－
＋
反向PN结
26
正向电压VF
外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱 势垒区宽度变窄 势垒高度变低 qVD0 ↓ q(V－VF) D0 破坏扩散与漂移运动间的平衡 扩散运动 强于 漂移运动 形成较大的电流， 正向偏压给PN结形成了低阻的 电流通路
第2章 PN结
－ － － － － －
+ + +
P
IS
内电场 外电场
N
–
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
3.了解PN结的电流方程
PN结所加端电压 u 与流过它的电流 i 的关系为：
PN结的形成：
浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子) 内 电
场
促使少子漂移 阻 止 多 子 扩 散
PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层
2.2
PN结的单向导电性
P接正、N接负
1. PN结加正向电压（正向偏置）
PN 结变窄
－－－ － － － + + + + + + － － － － － －I + + + + + + －－－ － － － + + + + + +
IS IS
约为
约为
(109 ~ 1016 ) (106 ~ 108 )
A A
I S 随温度的升高而增大，还与PN结面积
成正比的增大。
I I S (e
V 为正值，且
V VT
1)
V 100 mV
）时
V VT （或
V VT
I ISe
V 为负值，且
V VT
时
பைடு நூலகம்
I I S
4.PN结的伏安特性
第二章 PN结
PN结的反向抽取作用
势垒区电场增强漂移 > 扩散N区一侧 xn 处的空 穴被强场扫向 P 区，而P 区 一侧 x p 处的电子则被扫 向N区。
np0
qVD nn 0 exp kT
－xp处少子（电 子）浓度：
n x p nn 0e n p 0e
s
n
其中NB是轻掺杂的基体浓度(意 指p+-n结的ND)．电场在x＝W处 降为零，因此
0
NA N D
xn W
x
E
W
Em
E ( x) qNB
qNBW
0
m
x
s
s
(W x) Em (1
x ) W
Vbi （ d）
Vbi
0
W
x
如图(c)所示
（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
nx ni e
px ni e
平衡PN结势垒区两侧电子浓度之间的关系
热平衡时，中性区的多数载流子浓度大致与杂质浓度相
等，用nn0和np0分别表示在n和p侧的平衡电子浓度．则：
kT N A N D kT nn 0 p p 0 kT n n 0 VD ln ln ln 2 2 q ni q ni q n p 0
np0 pp0 ni2
所以 n p 0
qVD 同理 nn 0 exp kT
qVD pn 0 p p 0 exp kT
可见，耗尽区边界上，电子和空穴浓度与热平衡时的 V D 有关，即与结上的电势有关。
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漂移电流大于扩散电
－
内电场
外电场 U
＋
流，可忽略扩散电流
UB＋U 在一定的温度条件下，
由本征激发决定的少
E
R
子浓度是一定的
故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。
《半导体器件》中国计量学院光电学院
综上所述：PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 移电流。 即PN结具有单向导电特性。
第二章-PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、PN结的电容效应 五、 PN结的隧道效应
《半导体器件》中国计量学院光电学院
P型半导体和N型半导体相结合——PN结
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
异质结、同质结
《半导体器件》中国计量学院光电学院
发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向
电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),
不使其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电压(绝对值)降低时, PN结的性 能就可以恢复正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击 穿特性来实现稳压的, 当流过PN结的电 流变化时, 结电压基本保持不变。
关键在于耗尽层的存在
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结的伏安特性
UD
I
伏安特性方程 ID IS(eUT 1)
ID
UBR U B
O
U
加正向电压时，UD只要大
于UT几倍以上，IDISeUD/UT
PN结U-I特性曲线
加反向电压时，|UD|只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV
扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与 晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。 扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓变的，扩散 结亦称缓变(渐变)结。
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结的形成
P
N
耗尽层
势垒区
P
空间电荷区
N
(a)
扩散运动：空间电荷区展宽
漂移运动：空间电荷区变窄
《半导体器件》中国计量学院光电学院
齐纳击穿
在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以 不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电 场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将 耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键， 产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。
一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪 崩击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于 4~7V时，两种击穿都有。
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PN结的击穿特性
当反向电压超过UBR后稍有增加时， 反向电流会急剧增大，这种现象称 为PN结击穿，并定义UBR为PN结的 反向击穿电压。
电击穿 热击穿 PN结发生电击穿的机理可以分为两
种——雪崩击穿和齐纳击穿
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雪崩击穿
在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时， 耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被 加速，动能增大。当反向电压大到一定 值时，在耗尽区内被加速而获得高能的 少子，会与中性原子的价电子相碰撞， 将其撞出共价键，产生电子、空穴对。 新产生的电子、空穴被强电场加速后， 又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁 反应, 使反向电流迅速增大。这种击穿称 为雪崩击穿。
正
散电流起支配作用
向
电 流 ＋ 外电场
内电场 － 少数载流子形成的漂
IF
U
移电流方向相反，很
UB－U
小，可忽略。
E
R
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 向电压或反向偏置(简称反偏)
耗尽区
PN 结 处 于 截 止 状 态 ,
势垒电容CB
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。
当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
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不对称PN结
耗尽区
耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
➢P区和N区的掺杂浓度相同——对称结；
➢如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小 (轻掺杂)——不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂 区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。
内电场 (b)
电
UD
位
U
电
子
qU D
势
能
《半导体器件》中国计量学院光电学院
在一块本征半导体在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:
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结的电容特性
按电容的定义 CQ 或C dQ
U
dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出 电容效应。而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ 结内就有电荷的变化, 说明ＰＮ结具有电 容效应。
PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容 CD两部分组成。
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《半导体器件》中国计量学院光电学院
平衡PN结能带图
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PN结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
《半导体器件》中国计量学院光电学院
PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩
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PN结的制备方法及杂质分布
将杂质掺入半导体常用的方法：合金法、扩散法、外延 生长法、离子注入法等。
合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体 晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化， 杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球 下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区 域，得到了所需的P-N结。用合金法制得的P-N结称为合金 结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀 分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合 金结被称作突变结。
漂移电流大于扩散电
－
内电场
外电场 U
＋
流，可忽略扩散电流
UB＋U 在一定的温度条件下，
由本征激发决定的少
E
R
子浓度是一定的
故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。
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综上所述：PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 移电流。 即PN结具有单向导电特性。
第二章-PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、PN结的电容效应 五、 PN结的隧道效应
《半导体器件》中国计量学院光电学院
P型半导体和N型半导体相结合——PN结
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
异质结、同质结
《半导体器件》中国计量学院光电学院
发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向
电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),
不使其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电压(绝对值)降低时, PN结的性 能就可以恢复正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击 穿特性来实现稳压的, 当流过PN结的电 流变化时, 结电压基本保持不变。
关键在于耗尽层的存在
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PN结的伏安特性
UD
I
伏安特性方程 ID IS(eUT 1)
ID
UBR U B
O
U
加正向电压时，UD只要大
于UT几倍以上，IDISeUD/UT
PN结U-I特性曲线
加反向电压时，|UD|只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV
扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与 晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。 扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓变的，扩散 结亦称缓变(渐变)结。
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PN结的形成
P
N
耗尽层
势垒区
P
空间电荷区
N
(a)
扩散运动：空间电荷区展宽
漂移运动：空间电荷区变窄
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齐纳击穿
在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以 不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电 场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将 耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键， 产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。
一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪 崩击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于 4~7V时，两种击穿都有。
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PN结的击穿特性
当反向电压超过UBR后稍有增加时， 反向电流会急剧增大，这种现象称 为PN结击穿，并定义UBR为PN结的 反向击穿电压。
电击穿 热击穿 PN结发生电击穿的机理可以分为两
种——雪崩击穿和齐纳击穿
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雪崩击穿
在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时， 耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被 加速，动能增大。当反向电压大到一定 值时，在耗尽区内被加速而获得高能的 少子，会与中性原子的价电子相碰撞， 将其撞出共价键，产生电子、空穴对。 新产生的电子、空穴被强电场加速后， 又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁 反应, 使反向电流迅速增大。这种击穿称 为雪崩击穿。
正
散电流起支配作用
向
电 流 ＋ 外电场
内电场 － 少数载流子形成的漂
IF
U
移电流方向相反，很
UB－U
小，可忽略。
E
R
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
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PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 向电压或反向偏置(简称反偏)
耗尽区
PN 结 处 于 截 止 状 态 ,
势垒电容CB
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。
当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
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不对称PN结
耗尽区
耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
➢P区和N区的掺杂浓度相同——对称结；
➢如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小 (轻掺杂)——不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂 区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。
内电场 (b)
电
UD
位
U
电
子
qU D
势
能
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在一块本征半导体在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:
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
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PN结的电容特性
按电容的定义 CQ 或C dQ
U
dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出 电容效应。而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ 结内就有电荷的变化, 说明ＰＮ结具有电 容效应。
PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容 CD两部分组成。
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平衡PN结能带图
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PN结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
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PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩
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PN结的制备方法及杂质分布
将杂质掺入半导体常用的方法：合金法、扩散法、外延 生长法、离子注入法等。
合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体 晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化， 杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球 下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区 域，得到了所需的P-N结。用合金法制得的P-N结称为合金 结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀 分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合 金结被称作突变结。