半导体pn结,异质结和异质结构PPT课件

非本征半导体:是掺杂的半导体。由于在价带和导 带分别加入的空穴和自由的电子，使半导体的导电性能 发生改变。
如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必 有一个电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电 类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导 致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体 中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键 悬空，形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成 了空穴导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原 来在带隙中的费米能级逐渐向下移。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
是温度T,禁带宽度Eg的函数,温度越高, ni越大, Eg越宽, ni越小 T为3OOK时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3
几个重要参数和概念
• 接触电位差:
由于空间电荷区存在电场,方向由N 到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接 触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度), 杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般 为0.几V到
1.几V
• 势垒高度:
在空间电荷区内电子势能为-qV, 因此电子从N区到P区必须越过这个势能高 度,该高度称作势垒高度
PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷 构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压 改变,反向时电容减小正向时电容增大.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型 半导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形 成空间电荷区称PN结。
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PN结。
ni pi = 1.96 E20/cm^-3
杂质半导体ni,电子浓度n,空穴浓度p 之间的关系
n = ni e^(Ef-Ei)/kT, P = ni e^(Ei-Ef)/kT, ni^2 = n p Ei本征费米能级 Ef杂质费米能, 在n型半导体中,n＞p,因此, Ef＞Ei 在p型半导体中, p＞n,因此, Ei＞Ef
1. 用PN结. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管； 3. 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管； 4. 利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。
如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极 管与半导体发光二极管；
PN结的正向导电性
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，甚至消失， 多数载流子在电场的作用下可以顺利通过。 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。这就是PN结的单向导电性。
n型p型半导体的能带结构
Xs Wn Wp
Eg Es
Eo
Ec E fn Ei , Efi E fp Ev
p-n结形成的内部机理
• 施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电 荷),空间电荷(固定离子)
• 多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散 运动,空间电荷区的形成,内建电场的建立),
• 内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增 强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后 达到动态平衡(热平衡,电中性),随温度变 化时,平衡被破坏)
6. 利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器； 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子 功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代微电子 技术、光电子技术的基础。
半导体异质结
基本概念：
异质结就是一种半导体材料生长在另一种 半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种 材料的导电类型分同型异质结（P-p结或N-n结） 和异型异质(P-n或p-N)结。按照两种材料晶格常 数的失配程度，异质结可分为两类，即匹配型 异质结和失配型异质结，由于两种异质材料具 有不同的物理化学参数（如电子亲和势、 能带 结构、介电常数、晶格常数等）, 接触界面处产 生各种物理化学属性的失配，使异质结具有许 多不同于同质PN结的新特性。
半导体，本征半导体，非本征半导体
半导体: 最外层价电子填满了价带，导带没 有电子，有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电 子获得能量跃迁到导带中，在价带中形成空穴，在导带 中出现电子时，半导体导电。
本征半导体:不掺杂的半导体。此时的费米能级 在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃 迁到导带，使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高 本征半导体的导电性能变大。
PN结的伏安(I-V)特性：
I为流过PN结的电流；Is为PN结的反向饱和电流，与温度和材料有关的参数， V为外加电压； Vt=kT/q,为温度的电压当量（Vt=26mV.），当外加正向电压V为 正值且比Vt大几倍时, 正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向 导通状态.外加反向电压即v为负值，且|v|比Vt大几倍时，PN结只流过很小的反 向饱和电流，且数值上基本不随外加电压而变，PN结呈反向截止状态。由PN结 的I/V特性曲线得到：PN结具有单向导电性和非线性伏安特性.
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。
制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、 离子注入法、外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
PN结的应用
根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。
PN结的反向电压特性及电容特性
PN结加反向电压时,空间电荷区变宽, 电场增 强, 阻止了多数载流子的扩散,而P区和N区的少数 载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电 流,由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于 反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子 全部吸引过来时,电流达到恒定,称作反向饱和漏电 流, 当反向电压再增大电流突然增大时,称作PN结 击穿。如果外电路不能限制电流，则电流会大到 将PN结烧毁.