p-n结的空间电荷区
pn结空间电荷区宽度
pn结空间电荷区宽度
PN结空间电荷区宽度是PN结中N型材料和P型材料之间的
无掺杂区域的宽度。
在PN结中，由于N型和P型材料的能带结构不同，会形成一个电势垒。
当PN结正向偏置时，电势垒
变窄，电荷区域宽度减小。
反之，当PN结反向偏置时，电势
垒变宽，电荷区域宽度增大。
PN结空间电荷区宽度的具体数值取决于材料的特性和工作条件。
一般来说，空间电荷区宽度在几个纳米到几十微米之间。
这个宽度对于PN结的性能和特性起着重要的影响，如导电性、耐压能力等。
通过调节材料的掺杂浓度或施加外加电压，可以改变PN结的空间电荷区宽度，从而实现对PN结特性的调控。
pn结空间电荷区的形成过程
pn结空间电荷区的形成过程介绍在半导体器件中，pn结是一种重要的结构。
其中，pn结空间电荷区是一种特殊的区域，其形成过程是一个复杂而有趣的过程。
本文将从基础概念入手，全面、详细、完整地探讨pn结空间电荷区的形成过程。
基础概念在讨论pn结空间电荷区的形成过程之前，我们先来了解一些基础概念。
半导体材料半导体材料是一种电导介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料包括硅（Si）和锗（Ge）等。
pn结pn结是由p型半导体和n型半导体结合而成的结构。
p型半导体中的杂质原子掺入了三价元素，如硼（B），造成电子数目比空穴数目少；n型半导体中的杂质原子掺入了五价元素，如磷（P），造成电子数目比空穴数目多。
空间电荷区空间电荷区是pn结中电荷分布不均匀的区域。
在空间电荷区内，正电荷和负电荷逐渐接近，形成电场。
pn结空间电荷区的形成过程了解了基础概念后，我们来详细探讨pn结空间电荷区的形成过程。
1. 正向偏置当将外部电源的正电极连接到p区，负电极连接到n区时，形成了正向偏置。
此时，p区的空穴向n区扩散，而n区的电子向p区扩散。
2. 扩散过程由于p区和n区的杂质浓度不同，因此空穴和电子的扩散方向和速度也不同。
空穴在p区向n区扩散，电子在n区向p区扩散。
3. 空间电荷区的形成当空穴和电子跨过pn结的边界时，它们会与对方重复荷电云发生再组合反应。
由于对方的空穴寿命较短，空穴被迅速重新组合，形成正离子。
同样地，电子被迅速重新组合，形成负离子。
这些正离子和负离子逐渐堆积在pn结附近，形成了一个电荷分布不均匀的区域——空间电荷区。
4. 电势差的产生由于空间电荷区中正离子和负离子的不均匀分布，形成了电场。
这个电场从正向偏置的p区一直延伸到n区。
电场的方向从p区指向n区，形成了一个内建电场，使得p区的电势较高，n区的电势较低。
总结pn结空间电荷区的形成过程可以概括为正向偏置、扩散过程、空间电荷区的形成和电势差的产生。
在正向偏置的情况下，通过扩散过程，空穴和电子向对方区域扩散，并在 pn 结边界附近发生再组合反应，形成空间电荷区。
pn结空间电荷区的形成过程
pn结空间电荷区的形成过程PN结空间电荷区的形成过程PN结是半导体器件中常见的结构之一，它由P型和N型半导体材料的接触形成。
当P型半导体与N型半导体接触时，会发生一系列的电荷重分布和能带弯曲，形成了一个称为空间电荷区的特殊区域。
空间电荷区的形成过程可以分为以下几个步骤：第一步，当P型半导体与N型半导体接触时，P型半导体中的多数载流子（空穴）会向N型半导体中扩散，而N型半导体中的多数载流子（电子）会向P型半导体中扩散。
这个过程称为扩散过程。
第二步，扩散过程会造成P型半导体和N型半导体的杂质离子在界面处的不平衡。
在P型半导体接触区域，由于多数载流子（空穴）的扩散，会产生过剩的负电荷，即负离子。
在N型半导体接触区域，由于多数载流子（电子）的扩散，会产生过剩的正电荷，即正离子。
这些过剩的电荷会形成一个电荷云，也就是空间电荷区。
第三步，由于扩散过程中的电荷不平衡，会引起电场的形成。
在空间电荷区的界面处，由于P型半导体中的负离子和N型半导体中的正离子的排斥作用，会形成一个内建电场，这个电场会抵消掉扩散过程中的电荷不平衡，使得电子和空穴的扩散停止。
第四步，当内建电场与扩散过程中的电荷不平衡相等时，空间电荷区达到了平衡状态。
此时，电子和空穴的浓度在空间电荷区内呈现出梯度分布。
在PN结的P区，电子浓度逐渐减小，而空穴浓度逐渐增大；在N区，空穴浓度逐渐减小，而电子浓度逐渐增大。
通过PN结的形成，空间电荷区的存在对电流的流动起到了关键作用。
在正向偏置的情况下，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，形成电流。
而在反向偏置的情况下，由于空间电荷区的存在，电子和空穴的扩散被阻止，电流几乎不会通过PN结。
总结一下，PN结空间电荷区的形成是由于P型半导体和N型半导体的电荷重分布和能带弯曲所致。
通过扩散过程和内建电场的形成，空间电荷区达到了平衡状态。
空间电荷区的存在对电流的流动起到了重要的控制作用，使得PN结能够在不同的偏置条件下具有不同的电学特性。
pn结正向偏置内电场和空间电荷区
pn结正向偏置内电场和空间电荷区
PN结是半导体器件中的基本元件之一，具有良好的整流性能和电压调节能力。
在正向偏置状态下，PN结的内部电场和空间电荷区起着重要的作用。
PN结在正向偏置状态下，P区的正电荷与N区的负电荷向内搬运，形成一个宽度减小、带负内荷的空间电荷区。
空间电荷区中的自由载流子浓度极低，导致该区域电阻很大，在电路中类似于一个阻抗。
根据高斯定律可知，在PN结的空间电荷区内存在一个方向垂直于界面的强电场，该电场的电势降随着距离的增加而增加。
因为空间电荷区的宽度较窄，电场的强度非常高，可以达到几千伏每厘米。
内电场和电荷区的形成是PN结正向偏置后的必然结果，可以提高PN 结的整流效果，使其具有优异的电压调节特性。
同时，在PN结的空间电荷区中，由于自由载流子浓度极低，电流密度减小，从而使PN 结具有了更低的电阻和更好的电压调节能力。
在现代电子技术中，PN结作为基本元件之一，广泛应用于各种电子器件中，如二极管、三极管、场效应管、太阳能电池等。
在这些器件的
正常工作过程中，PN结正向偏置状态下的内电场和空间电荷区起着关键的作用，为电子器件提供了优异的性能和可靠性。
pn结空间电荷区的形成过程
pn结空间电荷区的形成过程PN结是半导体器件中最基本的元件之一，它的形成过程是由P型半导体和N型半导体的结合而成。
在PN结中，由于P型半导体和N型半导体的材料不同，导致电子和空穴的浓度不同，从而形成了空间电荷区。
下面将详细介绍PN结空间电荷区的形成过程。
首先，我们需要了解PN结的基本结构。
PN结由P型半导体和N型半导体组成，其中P型半导体中的杂质原子为三价元素，如硼(B)等，N型半导体中的杂质原子为五价元素，如磷(P)等。
在P型半导体中，由于杂质原子的掺入，导致半导体中存在大量的空穴，而在N型半导体中，由于杂质原子的掺入，导致半导体中存在大量的自由电子。
当P型半导体和N型半导体相接触时，由于两种半导体中的材料不同，导致电子和空穴的浓度不同，从而形成了空间电荷区。
在PN结中，由于P型半导体中的空穴浓度高于N型半导体中的自由电子浓度，因此空间电荷区中会存在大量的负离子和正离子。
这些离子会形成一个电场，将自由电子和空穴分别向PN结的两侧移动，从而形成了PN结的电势差。
当PN结处于正向偏置时，即P型半导体的正极连接到PN结的P端，N型半导体的负极连接到PN结的N端时，电子和空穴会向PN结的中心移动，从而缩小了空间电荷区的宽度。
此时，PN结的电势差会减小，电流会通过PN结流入P型半导体，从而实现了PN结的导电。
当PN结处于反向偏置时，即P型半导体的负极连接到PN结的P端，N型半导体的正极连接到PN结的N端时，电子和空穴会向PN结的两侧移动，从而扩大了空间电荷区的宽度。
此时，PN结的电势差会增大，电流会被阻止，从而实现了PN结的隔离。
总之，PN结空间电荷区的形成过程是由P型半导体和N型半导体的结合而成。
在PN结中，由于P型半导体和N型半导体的材料不同，导致电子和空穴的浓度不同，从而形成了空间电荷区。
当PN结处于正向偏置时，电子和空穴会向PN结的中心移动，从而缩小了空间电荷区的宽度；当PN结处于反向偏置时，电子和空穴会向PN结的两侧移动，从而扩大了空间电荷区的宽度。
pn结原理
pn结原理
PN结是指由一块半导体材料中P型区域和N型区域形成的结构。
P型材料中的空穴浓度高，而N型材料中的电子浓度高。
当将P型区域和N型区域接触时，电子和空穴开始扩散，这导致栅极区域的空间电荷区从两侧开始慢慢缩小。
随着PN结不断的扩散，电子和空穴将会遇到对方的载流子，发生互相结合的过程。
这种结合会导致电子和空穴减少，从而在PN结的中心形成一个电荷区域。
由于电荷区域从两侧扩散，导致PN结的外部带上空穴，而内部则带上电子。
这种行为导致PN结成为一个电势垒，因此电子从PN结内区域流动到PN结外区域会变得困难。
在PN结的正向偏置下，正电压加在P型区域上，而负电压加在N 型区域上。
这使电子和空穴被吸收，并让外界的电子流动到P型区域中。
这种流动极大地增加了P型区域中的电子数量，破坏了电子和空穴的平衡。
这意味着PN结会产生更多的电流。
在PN结的反向偏置下，正电压加在N型区域上，而负电压加在P 型区域上。
这使电子和空穴被推开，并阻止外界的电子流动到P型区域中。
这种阻止极大地减少了P型区域中的电子数量，恢复了电子和空穴的平衡。
这意味着PN结会产生很少的电流。
同时，当反向电压达到一定程度时，PN结会被击穿，电流会突然增加，这通常会导致PN结烧毁。
因此，PN结是一种非常重要的半导体器件，可以用于调制信号、放大信号等技术。
pn结空间电荷区的形成过程
pn结空间电荷区的形成过程概述：在半导体器件中，pn结是一种重要的结构，它由p型半导体和n型半导体构成。
在pn结的形成过程中，会产生空间电荷区。
本文将详细介绍pn结空间电荷区的形成过程。
引言：在半导体器件中，pn结是一种基本的结构，它具有重要的电子学特性。
而在pn结的形成过程中，空间电荷区的形成是不可避免的，它在器件的性能和功能中起着重要作用。
下面，我们将详细谈谈pn 结空间电荷区的形成过程。
正文：1. pn结的形成pn结是由p型半导体和n型半导体结合而成的。
在p型半导体中，掺杂了少量的施主杂质，形成了大量自由电子；而在n型半导体中，掺杂了少量的受主杂质，形成了大量空穴。
当p型半导体和n型半导体连接在一起时，形成了pn结。
2. 空间电荷区的形成在pn结中，由于p型半导体和n型半导体之间的杂质浓度差异，形成了电子和空穴的扩散。
当电子从n型半导体向p型半导体扩散时，空穴从p型半导体向n型半导体扩散。
在扩散过程中，电子和空穴会发生复合，形成正负离子，并在pn结的两侧形成电荷分布不均的区域，即空间电荷区。
3. 空间电荷区的特性空间电荷区中的正离子和负离子形成了电场，这个电场会阻止进一步的扩散。
当空间电荷区形成后，形成了一个电势垒，使得pn结两侧的电势差达到平衡。
在平衡状态下，电子和空穴的扩散和复合达到了动态平衡，使得空间电荷区内的电荷分布保持稳定。
4. 空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度取决于p型半导体和n型半导体之间的杂质浓度差异。
浓度差异越大，空间电荷区的宽度越大。
而空间电荷区的宽度对器件的性能和功能有着重要的影响。
例如，在二极管中，空间电荷区的宽度决定了二极管的击穿电压。
5. 空间电荷区的应用空间电荷区在半导体器件中有着广泛的应用。
例如，在二极管中，空间电荷区的形成使得二极管具有单向导电性质；在场效应管中，空间电荷区的形成使得场效应管具有可控性能。
空间电荷区的形成过程和特性研究，对于半导体器件的设计和优化具有重要意义。
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
⎞ ⎟⎟⎠
pn结
J p p p
或
对于平衡pn结 Jn、Jp 均为零。因此
dE F dx
0
E F 常数
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小， 载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大 空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势 能变化的结果，空间电荷区也叫势垒区。
4. pn结接触电势差
小注入时 d Ex dx 很小可以略去，n型扩散区 E x 0
程
故
p n p n0 d 2 p n Dp 0 2 dx p
通解为 p n (x) p n (x) p n0 Ae
因x
x Lp
Be
x Lp qV k 0T
时 p n () p n0 , x x n时p n (x n ) p n0e
N ( x) N A N ( x) N D
单边突变结
（2）扩散法
扩散结中杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
NA ND
扩散结
线性缓变结近似
突变结近似
扩散结
x xj x xj
N A ND ND N A
扩散结中，若杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称 为线性缓变结
VD pn结接触电势差，q VD pn结的势垒高度
势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使E F处处相等
qVD E Fn E Fp
E Fn Ei k 0T E Fp Ei n p0 n i e k 0T
n n0 n i e
ln
n n0 n p0
1 k0T
(E Fn E Fp ) 2
qV
正向偏压下pn结的费米能级
p-n结的构成[整理版]
![p-n结的构成[整理版]](https://img.taocdn.com/s3/m/6e402f1517fc700abb68a98271fe910ef12daec3.png)
PN结的形成一、PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础。
在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。
这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。
它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。
半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。
这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。
空间电荷区有时又称为耗尽区。
扩散越强，空间电荷区越宽。
在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。
显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。
另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。
从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。
当漂移运动和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。
二、PN结的正向导电性当PN结加上外加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。
在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。
同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区由厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。
p-n结原理1：p-n结的形成和能带
p-n结原理1：p-n结的形成和能带p-n结基本概念是解决许多微电子和光电子器件的物理基础。
对于许多半导体器件问题的理解不够深透，归根到底还在于对于p-n结概念的认识尚有模糊之处的缘故。
因为p-n结的一个重要特点就是其中存在有电场很强的空间电荷区，故p-n结的形成机理，关键也就在于空间电荷区的形成问题；p-n结的能带也就反映了空间电荷区中电场的作用。
(1) 载流子的转移：p型半导体和n型半导体在此需要考虑的两个不同点即为（见图(a)）：①功函数W不同；②主要（多数）载流子种类不同。
因此，当p型半导体和n型半导体紧密结合而成的一个体系——p-n 结时，为了达到热平衡状态（即无能量转移的动态平衡状态），就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。
对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。
(2) 空间电荷和内建电场的产生：现在考虑同质p-n结的形成：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处（即冶金学界面附近处），当有空穴从p型半导体扩散到n型半导体一边去了之后，就在n型半导体中增加了正电荷，同时在p型半导体中减少了正电荷，从而也就在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心；与此同时，当有电子从n型半导体扩散到p型半导体一边去了之后，就在p型半导体中增加了负电荷，同时在n型半导体中减少了负电荷，从而也就在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。
这就意味着，在p型半导体一边多出了负电荷（由电离受主中心和电子所提供），在n型半导体一边多出了正电荷（由电离施主中心和空穴所提供），这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷，它们都局限于接触边缘附近处，以电偶极层的形式存在，如图(b)所示。
内建电势差、突变结、线性缓变结。
(
qDp p0n Lp
qDnn0 p Ln
)
ni xD
2 0
J RD
qDp p0n Lp
qDp ni2 Lp ND
对于Ge、Si、GaAs三者的禁带宽度是逐渐增加的，因此ni 的值是 递减的，于是有三者的反向扩散电流密度JDR是逐渐减小的。室温 时，Jg 所占比重要大，根据三者ni 的值可知 Jg 是逐渐减小的、是 不饱和的，故反向漏电流的不饱和性依次严重。
5、叙述PN具有整流特性的内在物理机理。
正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系，迅 速增大。
室温下kT/q=0.026V，只要外加电压大于零点几 伏,exp(qV/kT)>>1
J=Jsexp(qV/kT) 反向偏压下，V<0，q|V|>>kT exp(qV/kT)0
J
Js
( qDp p0n Lp
为1018/cm3和1014/ cm3，比较VD。
对于PN结
VD
kT q
ln
NDNA ni 2
0.71V
这里，ND和NA是两边的净掺杂值。对于高低结，
VD
kT q
ln
NH NL
这里NH和NL分别是高、低边的净掺杂值。
Dn
n
kT q
, Dp
p
kT q
, Ln
Dn n , Lp
Dp p
Dn 500 0.026 13cm2 / s Dp 500* 0.026 13cm2 / s
Ln 13*5 8.0 103 cm, Lp 13*1 3.6 103 cm
PN结简介
PN结PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
PN结（PN junction）制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。
P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
p-n结的知识要点
①一个势垒区～耗尽层。
势垒区就是存在电场的区域，在简单情况下的势垒区与空间电荷区一致；并且可近似为耗尽层。
②二个扩散区～
扩散区位于势垒区的两边，是电中性的区域；关系到p-n结的正向电流、反向电流和少数载流子存储效应。
③三个电流分量～
少数载流子扩散电流（正向电流和反向电流，温度特性）；
势垒区复合中心的复合电流（低电压时的正向电流）；
势垒区复合中心的产生电流（反向电流）。
④四个效应～
少数载流子注入效应（产生正向电流）；
少数载流子抽取效应（产生反向电流）；
少数载流子存储效应（产生开关的存储时间）；
击穿效应（产生反向击穿电压）。
⑤五个性能～
单向导电性（整流、检波性能）；
电容性能（势垒电容和扩散电容）；
频率性能（截止频率）；
开关性能（导通电阻和开关速度）；
击穿性能（隧道击穿和雪崩击穿）。
⑥六个极限条件～
最高工作温度（决定于半导体本征化的温度～结温）；
最高工作电压（决定于击穿电压）；
最大工作电流（决定于导通电阻和结温）；
最高工作频率（决定于势垒电容）；
最高开关速度（决定于少数载流子存储效应和势垒电容）；
最高辐照剂量（决定于少数载流子寿命）。
第五章 p-n结
J
V
反向 正向
理想p-n结的J-V曲线
26
③ 外加直流电压下p-n结能带图
正向偏压下
p-n结的n区和p区都有非平衡少数载流子的注入。
在非平衡少数载流子存在的区域内，需用电子的 准费米能级EFn和空穴的准费米能级EFp取代原来 的平衡时的统一的费米能级EF。
EF 的变化主要发生在少数载流子扩散区，而忽略
E ( xn ) Ecn qVD E ( x) qV ( x)
Evp
Evn 则某点处的电子浓度：
4 (2mn ) n( x) E( x ) h3
32
e
E x EF k0T
E E( x)1 2 dE
16
令Z=[E-E(x)]/(k0T)，则上式可变为：
4 (2mn ) EF E( x) 1 2 Z 32 n( x) (k0T ) exp[ ] Z e dZ 3 0 h k0T EF E ( x) E ( x) EF N c exp[ ] N c exp[ ] k0T k0T
E ( x) qV ( x)
32
n区平衡电子浓度 p区平衡电子浓度
14
qVD＝EFn-EFp VD
两式相除取对数得： nn 0 1 ln ( E Fn E Fp ) n p0 k 0T
ni nn0 N D , n p0 NA k0T nn0 k0T 1 ND N A VD ( EFn EFp ) ln (ln ) 2 q q n p0 q ni
载流子存入势垒区正向电压载流子从势垒区取出正向电压载流子从势垒区取出反向电压载流子存入势垒区反向电压结上外加电压的变化引起电子和空穴在势垒区的存入和取出作用导致势垒区的空间电荷数量随之变化这和电容器的充放电作用相似这种pn结电容效应称为势垒电容c外加正向偏压时在扩散区会形成非平衡电子和空穴的积累
pn结的空间电荷区和耗尽区
pn结的空间电荷区和耗尽区
PN结是半导体器件中常见的一个结构，由P型半导体和N型
半导体组成。
在PN结的两侧有两个不同电荷的区域，即空间
电荷区和耗尽区。
下面将分别对这两个区域进行解释。
1. 空间电荷区（Depletion Region）：当P型半导体和N型半
导体接触形成PN结时，离子会由P半导体的施主离子和N半导体的受主离子进行扩散，形成带电粒子。
这些带电粒子由于彼此之间的相互作用而形成了一个区域，这个区域称为空间电荷区（depletion region），也称为耗尽区。
在空间电荷区域内，正负离子通过内部电场形成一个电场较强的区域。
2. 耗尽区（Depletion Region）：在PN结上形成的空间电荷区
域中，缺少了自由电子和空穴。
由于缺少这些带电粒子，导致此区域的电阻非常高，电流几乎不能通过。
这个无电流通过的区域就称为耗尽区。
需要注意的是，当PN结处于正向偏置状态时，空间电荷区会
变窄或消失，耗尽区的带电粒子会消失。
而当PN结处于反向
偏置状态时，空间电荷区会变宽，耗尽区的带电粒子会增多。
pn结空间电荷区
pn结空间电荷区Pn结空间电荷区是指在半导体中产生的由正电荷区域和负电荷区域构成的结构，它们分别由N和P类半导体材料构成，因此被称为“pn结”。
这种结构中，正负电荷区域在一定范围内形成一个耦合的结构，称为pn结空间电荷区。
二、pn结空间电荷区的特点Pn结空间电荷区的主要特点是它的电子和空穴的浓度有很大的不同。
因此，当电场对正负电荷区域施加力时，空穴会向负电荷区域移动，而电子则移动到正电荷区域中。
这样就形成了电荷分布的不均匀分布。
由此可以实现电子和空穴的耦合，从而形成现象称之为“空穴-电子耦合”。
三、pn结空间电荷区的作用Pn结空间电荷区的主要作用是用于半导体器件的动态特性，它可以作为半导体器件的结构元素，其动态特性如重复元件、振荡电路等均与其有关。
例如pn结可用于制作晶体管，因为它可以实现开关功能，从而可以作为放大电路和逻辑门，提高电子器件性能。
四、pn结空间电荷区的制作方法Pn结空间电荷区的制作方法有多种，根据所使用的不同半导体材料，可以采用化学气相沉积、热化学气相沉积和物理气相沉积等不同方法。
化学气相沉积是将N类或P类材料混合后，在低真空下通过化学反应，形成p-n结空间电荷区。
热化学气相沉积技术利用元素源进行混合，形成p-n结空间电荷区。
物理气相沉积技术则利用热源向片表面沉积材料，形成p-n结空间电荷区。
五、pn结空间电荷区的应用Pn结空间电荷区在微电子技术领域被广泛应用，如传感器、放大器、混合信号器件等。
它们的应用可分为三大类：1、放大器。
基于pn结空间电荷区，可以制作出各种类型的放大器，其中的主要类型有双极放大器、单极放大器、非平衡放大器和差动放大器等。
2、传感器。
pn结空间电荷区可以用于制作光传感器，其原理是、当光照射到空穴-电子耦合结构中，空穴-电子耦合结构中的电荷分布会发生改变，从而导致放大器的输出电流发生变化，从而实现光传感器功能。
3、混合信号器件。
pn结空间电荷区可以用于制作混合信号器件，如混合放大器、混合滤波器等。
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p-n结的空间电荷区
2009-11-03 11:57:09| 分类：微电子器件| 标签：|字号大中小订阅
作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)
(1) p-n结空间电荷区:
空间电荷和内建电场：p- n结空间电荷区是由于p-n结两边的多数载流子往对方注入、并扩散所形成的。
它是由正、负电荷构成的一个电偶极层，其中存在较强的所谓内建电场（对Si/p-n结，相应的内建电压大约为1V上下）。
内建电场的作用就是阻挡两边的多数载流子进一步往对方扩散；达到平衡时，p-n结空间电荷区也就有一定的厚度。
因此，空间电荷越多，内建电场越强，空间电荷区的厚度也就越大。
反之，空间电荷区中的电场越弱，其中的电荷也就必然越少，空间电荷区的厚度也就越薄。
p-n结势垒区：因为p-n结空间电荷区中的电场对于两边的多数载流子而言，起着阻挡其往对方运动的作用，故也称p-n结空间电荷区为p-n结势垒区。
势垒区的厚度也就是空间电荷区的宽度；势垒的高度就反映了势垒区中内建电场的大小。
这里讲的普通p-n结，其空间电荷区与势垒区是相同的。
但是对于特殊的pin结，它的空间电荷区与势垒区是不相同的（整个i型区都是势垒区），因为势垒区是存在电场的区域，而势垒区中却不一定有空间电荷。
耗尽层近似：由于p-n结空间电荷区中存在较强的内建电场，则其中的载流子基本上都被驱赶出去了，因此可近似认为p-n结空间电荷区也就是不存在载流子的所谓“耗尽层”。
在耗尽层近似下，势垒的厚度和高度将基本上决定于其中的掺杂浓度或者Fermi能级的位置。
当掺杂浓度提高时，势垒高度将增高、势垒厚度将减薄；当温度升高时，势垒高度将降低、势垒厚度也将减薄。
p-n结空间电荷区可以说是p-n结的心脏，没有这个空间电荷区，p-n结也就不会有单向导电性和势垒电容等效应，即将失去了p-n结的功能。
总之，p-n结的空间电荷区也就是势垒区，p-n结空间电荷区可近似为耗尽层。
(2) p-n结空间电荷区的变化：
当p-n结上加有正向电压时，所产生电场的方向即与内建电场的方向相反，互相抵消，使得空间电荷区中的总电场有所降低，从而其中的正、负空间电荷也就有所减少，结果，空间电荷区的厚度也就减小了。
相反，当p-n结上加有反向电压时，所产生电场的方向即与内建电场的方向一致，互相增强，使得空间电荷区中的总电场有所提高，从而也就使得空间电荷区中的电荷增多、厚度增大了。
p-n结的单向导电性和扩散电容效应，也就是势垒高度随着电压而发生变化所产生的一种效应；而势垒电容是势垒区的厚度（空间电荷区的宽度）随着电压而发生变化所产生的一种效应。
由于势垒厚度的变化（即空间电荷区的变化）是p-n结两边多数载流子的运动所致，因此相应的势垒电容在很高的频率下也会起作用，往往是决定器件截止频率的重要因素。
如果所加的正向电压过高（例如超过1V）时，内建电场就完全被抵消了，空间电荷区也就不存在了，厚度变为0，这时p-n结也就失效了。
当然，若在回路（例如开关电路）中接有适当的电阻，限制了电流，虽然p-n结不会损坏，但是通过的电流已经不再是受到势垒限制的那样随着电压而指数式上升的电流了。
因此，只要是能够正常进行整流、检波等工作的p-n结，其中就必将具有一定厚度的空间电荷区。
(3) p-n结的扩散区：
但是值得注意，在p-n结空间电荷区两边（都是电中性区）的区域——扩散区，也并非
不起作用，实际上还往往起着很大的作用。
因为在p-n结上加有电压时（外加电压基本上都加在空间电荷区上），即将要向两边注入载流子（正偏时），或者从两边抽出载流子（反偏时），也就是说，这时在p-n结空间电荷区的两边将发生非平衡少数载流子的注入或抽出，并从而产生大的正向扩散电流和小的反向扩散电流——单向导电性。
可见，p-n结空间电荷区两边的电中性区（主要是少数载流子的扩散区范围）是决定通过p-n结电流大小的关键区域。
同时，p-n结的扩散电容也是p-n结空间电荷区两边的少数载流子扩散区所呈现出的一种电容，则是少数载流子电容，故在高频下不起作用。
(4) p-n结空间电荷区中的杂质、缺陷的影响：
在p-n结空间电荷区中的杂质和缺陷——复合-产生中心，对p-n结的电流也有一定的影响。
在p-n结正偏时，这些杂质和缺陷中心起复合载流子的作用，将额外提供少量的复合电流（在低电压时显著）；在反偏时，这些杂质和缺陷中心起产生载流子的作用，将额外提供少量的产生电流（致使p-n结电流不饱和）。