半导体物理学简明第4章 p-n结2011

热平衡状态下的p型和n型半导体以及pn结的能带图
西安理工大学电子工程系 马剑平
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2、热平衡pn结的费米能级
在浓度差引起的扩散与扩散产生的自建电场的共同作用下
电子电流
Jn

n0 q n
E
qDn
dn0 dx
由
n0

NC
exp(
EC EF kT
)
dn0 n0 ( dEC dEF ) dx kT dx dx
价带 p 型半导体
导带
E ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
C
EF
空 间
EV
电 荷
价带
区
n 型半导体
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1、能带弯曲
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区来实现的。在载 流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至 EFn＝EFp＝EF时达到平衡。
将n型和p型半导体片经过精细加工和活化处理的两个 清洁表面在室温下扣接在一起，然后在高真空和适当 的温度与压力下，令原本属于两个表面的原子直接成 键而将两块晶片结合成一个整体，同时形成pn 结。 直接键合法能形成最接近理想状态的突变结。
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二、pn结的杂质分布
1）突变结：用合金法、离子注入法、外延法和直接 键合法制备的pn结，高表面浓度的浅扩散结可近似 为突变结。直接键合法制备的突变结是最理想的突变 结。 2）线性缓变结：低表面浓度的深扩散结近似为线性 缓变结
单边突变结 p+n 或pn+
理想突变结的杂质分布
理想线性缓变结的杂质分布
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4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布
4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
得电子电流
Jn

n0qn
E

n0n
(
dEC dx

dEF dx
)

n0 n
dEF dx
其中
dEC q dV (x) q E
dx
dx
因为热平衡时 Jn＝0，所以结果表明热平衡时
dEF dx
0
同理，得空穴电流
Jp

p0 p
dEF dx
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三、pn结的接触电势差
（恒定表面杂质浓度和恒定杂质总量两种方法） 扩散法需要在较高温度下操作，而且形成的是渐变式的杂质分布
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3、离子注入法（Ion-implantation technology）
离子注入法采用气相杂质源，在高强度的电磁 场中令其离化并静电加速至较高能量后注入到 半导体适当区域的适当深度，通过补偿其中的 异型杂质形成pn结。与扩散法相比，这种方法 的最大特点是掺杂区域和浓度能够精确控制， 而且杂质分布接近于图4-1所示的突变结。用 离子注入法形成pn结不需要扩散法那样高的温 度，因高能离子注入而受到损伤的晶格也只须 在适当高的温度下退火即可修复，因此不会引 起注入区周边杂质的扩散，是集成电路工艺普 遍采用的掺杂方法。
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4）外延法和直接键合法
在n型或p型半导体衬底上直接生长一层导电类型相反 的半导体薄层，无须通过杂质补偿即可直接形成pn结。 用这种方法形成pn结时，只需在生长源中加入与衬底 杂质导电类型相反的杂质，在薄层生长的同时实现实 时的原位掺杂。这种方法形成的杂质分布更接近于理 想突变结分布。
)
两式相除取对数得
ln
nn0 np0

1 kT
(
EFn
EFp )
因为nn0≈ND，np0≈ni2/ NA：
VD

1 q
(EFn

EFp )

kT q
ln
NDNA ni2
若NA＝1017cm-3，ND＝1015cm-3，在室温下可以算得pn结接触电势差VD 对硅为0.7 V，对锗为0.32 V，对砷化镓为1 V。
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空间电荷区-耗尽层的形成
-xp
xn
空间电荷区宽度XD
空间电荷区-耗尽层因为缺少可移动载流子,空间电荷区为高阻区
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二、平衡pn结的能带结构
1、能带弯曲 2、热平衡pn结的费米能级
导带 EC
EF EV ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
第四章 p-n结
4.1 pn结的形成及其平衡态 4.2 pn结的伏安特性 4.3 pn结电容 4.4 pn结击穿 4.5 pn结的光伏效应 4.6 pn结发光
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4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布
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4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
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4.1.1 pn结的形成及其杂质分布
一、pn结的形成及其杂质分布
1、合金法（Alloying technology）
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一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成
在一块 n 型半导体基片的一 侧掺入较高浓度的受主杂质， p型
n型
由于杂质的补偿作用，该区
就成为ｐ型半导体。
N 区的电子向 P区扩散；P 区的空穴向N区扩散。
在P型半导体和Ｎ型半导 体的交界面附近产生了一 个电场,称为内建场。
p-n结
Al－Si alloy on n-Si for p+n Au－Sb alloy on p-Si for pn+
合金结的特点是合金掺杂层的杂 质浓度高，而且分布均匀 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
理想突变结的杂质分布
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2）扩散法（Diffusion technology）
平触衡电势pn差结或空自间建电电荷势区差两，端相的应电的势电差子VD势称能为之pn差结，的即接能
带的弯曲量qVD，称为pn结的势垒高度。
qVD EFn EFp
nn0、np0分别表示n区和p 区的平衡电子密度，对非简并半导体
nn0

NC
exp( EFn EC kT
)
np0

NC
Leabharlann Baidu
exp( EFp EC kT