半导体p-n结,异质结和异质结构
8.异质结
异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致 载流子相对运动 介电常数不同 形成空间电荷区 内建电场在交 界面处不连续 D1 D2 能带弯曲， 不连续
模 型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合 隧道模型：隧道效应 隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型， 其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要 异质结及其能带图 异质结的电流输运机构 异质结在器件中的应用 半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。 （如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。 反型异质结： 导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs） 同型异质结： 导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态） 不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何 异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的 电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器
异质结和半导体
异质结是指由两个不同材料组成的半导体结构，其中每个材料的能带结构不同。
异质结是一种重要的半导体结构，具有许多独特的性质和应用，例如在光电器件、太阳能电池、激光器、晶体管等领域中都有广泛的应用。
半导体是指一种物质，其电子能级介于价带和导带之间，形成禁带，使得半导体在导电方面表现出特殊的性质。
半导体材料的导电性质可以通过掺杂等手段进行调节，从而实现各种电子器件的制造。
常见的半导体材料包括硅、锗、氮化镓等。
异质结和半导体之间有着密切的联系。
在半导体器件中，异质结通常用于构建晶体管、太阳能电池等器件的结构。
例如，在PN结中，P型半导体和N型半导体之间形成一个异质结，可以实现电子和空穴的分离，实现电流的控制。
另外，在太阳能电池中，异质结也是关键的组成部分，可以实现光的吸收和电子空穴对的分离。
7. 第七章 pn结
同掺杂情况下的锗：
kT N A N d Vd ln 2 e ni 1017 1015 0.3125 0.0259 ln 13 2 (2.4 10 )
5、pn结中的载流子分布
x xp x xn
V ( x) 0 V ( x) VD
势垒宽度变宽，势垒高度升高 eVD
4、外加反向电压时，载流子的运动 反向电压与内建电场同向
形成稳定的从n区边界指向p 区的空穴扩散流，和从p区边 界向n区的电子扩散流
少子浓度低，浓度梯度小， 在同样扩散长度下，扩散电流 很小，可以认为是零。
反向偏压下非平衡少子浓度
注入到n区的非平衡少子浓度为： 注入到P区的非平衡少子浓度为：
7.2.2 理想pn结电流电压方程
1、边界条件
2、正向偏压下非平衡少子浓度
边界处非平衡少子浓度为：
注入到n区的非平衡少子浓度为：
注入到P区的非平衡少子浓度为：
3、扩散电流方程
理想pn结的电流电 压方程，又称肖克 莱方程式
pn结具有单向导电性
N T 32 C Dn T n
4、接触电势差
本章开始ND，NA分别指n区和p 区内的净施主和受主杂质！！
例：硅pn结在300K时，掺杂浓度的分别，假设
N A 110 cm , Nd 110 cm
18 15 3 3
ni 1.5 1010 cm3
1018 1015 kT N A N d Vd 0.754 ln 2 0.0259 ln 10 2 e ni (1.5 10 ) 1017 1015 kT N A N d Vd 0.6946 ln 2 0.0259 ln 10 2 e ni (1.5 10 )
异质结
异质结百科名片异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n 或p-N)结，多层异质结称为异质结构。
通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。
异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。
目录[隐藏][编辑本段]基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后异质结次序沉积在同一基座上。
例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。
半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。
(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。
例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。
(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。
然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。
因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。
(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。
低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
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 。
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p-n结,异质结和异质结构03_
PN结的应用 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， 根据 结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利 结的材料 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。 用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。 1. 用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二 结单向导电性可以制作整流二极管、 结单向导电性可以制作整流二极管 极管， 极管， 2. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管； 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 结隧道效应制作隧道二极管； 利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管 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 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 结相结合还可以制作多种光电器件。 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 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； 管与半导体发光二极管； 6. 利用光辐射对 结反向电流的调制作用可以制成光电探测器； 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 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 利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个 结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子 利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大 结之间的相互作用可以产生放大， 功能; 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 结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心， 结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心 技术、光电子技术的基础。 技术、光电子技术的基础。
PN结的正向导电性 结的正向导电性
PN接面及半导体基础知识
PN接面及半导体基础知识pn结pn结（pn junction）採用不同的掺杂工艺，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,在它们的交介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型半导体的交介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製成的 pn 结叫同质结，由禁频宽度不同的两种半导体材料製成的pn结叫异质结。
製造pn结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
製造异质结通常採用外延生长法。
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，在介面附近空穴从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。
空穴和电子相遇而複合，载流子消失。
因此在介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。
正负离子在介面附近产生电场，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，空穴和电子都向介面运动，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介面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
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。
第五章 P-N结
①少子在扩散区中的分布: ♦空穴扩散区
p( x ) p( xn ) e
♦电子扩散区
x xn L
, p( xn ) pn0 (e
eV kT
1)
n( x) n( x p )e
x xP L
, n( x p ) n p 0 (e
eV kT
1)
②少子扩散电流: 边界处的少子扩散电流为
第五章 p-n结 §1 §2 §3 §4 §5 p-n结及其基本概念 p-n结的电流电压特性 p-n结电容 p-n结的隧道效应 p-n结的光生伏特效应
§ 1 (1) (2)
p-n结及其基本概念
p-n结的形成 p-n结的基本概念
★ p-n结的形成 p-n结的形成 ♦ 控 制 同 一 块 半 导 体 的 掺 杂 , 形 成 pn 结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) ♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结 ♦由两种不同的半导体单晶材料组成的 结—异质结
d p( x) J ( xn ) eD dx d n( x) J ( x p ) eD dx
Xn
eD pn 0 (e L
eV kT
1) 1)
Xp
eD n p 0 (e L
eV kT
③J~V特性:
J J ( xn ) J ( x p ) J S (e
★ dEF/dx与电流密度的关系
--EF随位臵的变化与电流密度的关系
热平衡时, EF处处相等, p-n结无电流通 过(动态平衡). 当p-n结有电流通过, EF就不再处处相 等. 且,电流越大, EF随位臵的变化越快.
体异质结工作原理
体异质结工作原理体异质结作为半导体器件中的重要组成部分，其工作原理深受科学界和工程界的关注。
本文将介绍体异质结的基本概念、工作原理和应用领域，并探讨其在电子和光电子领域的潜在应用。
希望本文能够对读者有所帮助。
体异质结（heterojunction）是指两种不同材料的晶体在其接触面上形成的结构。
由于这两种材料的电子亲和力和晶格结构不同，形成的结构在电学和光学性质上具有明显的差异。
体异质结可以分为p-n异质结和n-n异质结两种类型，分别由p型半导体和n型半导体、n型半导体和n型半导体组成。
体异质结的工作原理可以通过以下几个方面来解析。
由于不同材料的电子亲和力存在差异，当两种材料形成体异质结时，会在界面处形成能带偏差。
这个能带偏差导致了在异质结内部形成电场，这种电场会影响材料内的载流子输运和能级分布，从而改变了材料的电学性质。
由于晶胞结构不同，体异质结的结合界面会存在一定程度的畸变和杂质排列，这也影响了载流子在异质结内的输运和复合过程。
对于n-n异质结来说，由于电子在两种材料之间的能级差异，可以形成电子在其中的二维电子气或者量子阱结构，这也影响了电子的输运和光学性质。
体异质结作为半导体器件的研究焦点，已经被广泛应用于电子器件和光电子器件中。
在电子器件方面，体异质结的应用主要体现在高效能量转换器件的研究中，如光伏电池、激光器、太赫兹探测器等。
在光电子器件方面，由于体异质结能够形成量子阱结构，因此在半导体激光器、光电探测器等领域也取得了重要的应用。
体异质结还常常被用于制备高效的载流子器件，如高速场效应晶体管、电子谐振器等。
体异质结作为半导体器件的重要组成部分，具有很大的研究和应用潜力。
通过对其工作原理的深入研究和理解，可以更好地设计和制备出更加高性能的半导体器件，推动整个电子和光电子领域的发展。
希望本文能够对体异质结工作原理有所了解，并对相关领域的研究提供一定的参考和帮助。
半导体激光器中双异质结的作用和优势
半导体激光器中双异质结的作用和优势
作用：
1.载流子限制：双异质结由两种不同带隙的半导体材料层交替堆叠而成。
这种结构使得注入到结区的电子和空穴受到有效的侧向限制，不会轻易扩散出去。
在P-N或N-P-N等结构中，载流子被局限在有源区（量子阱层），极大地提高了载流子的密度。
2.光场限制：由于异质结界面两侧材料折射率的不同，形成了一个光学谐振腔的效果，有效地约束光波在有源区来回传播，增强光子与载流子的相互作用。
3.超注入效应：双异质结能够实现高效泵浦，即使在较小的电压下也能使大量载流子反转，有利于形成激光振荡所需的粒子数反转状态。
优势：
1.阈值电流低：由于双异质结的良好载流子和光场限制效果，半导体激光器只需较低的注入电流就能达到激光阈值，降低了功耗。
2.高效率：提高内部量子效率，减少无辐射复合损失，从而提升了激光器的整体电光转换效率。
3.稳定性好：良好的侧向不均匀性抑制了模式跳变和其他不稳定现象，提高了激光器的运行稳定性和可靠性。
4.波长可调：通过改变双异质结的材料组合和厚度，可以灵活地调整激光器的工作波长，使其更易与其他光学系统如光纤进行耦合。
5.尺寸小、集成度高：双异质结激光器具有小型化特点，易于与其他微电子和光电子元件集成，应用于光通信、光存储、激光打印等领域。
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
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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；
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；
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。
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。
半导体p-n结,异质结和异质结构
n型p型半导体的能带结构
Xs Wn Wp
Eg Es
Eo
Ec E fn Ei , Efi E
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)
半导体p-n结,异质结和异质结构
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:
半导体p-n结,异质结和异质结构
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
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
半导体p-n结,异质结和异质结构
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.
半导体p-n结,异质结和异质结构
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。
半导体p-n结,异质结和异质结构
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo）^3/4 T^3/2 exp(-Eg/2KT)
= A T^3/2 e^(-Eg/2KT) 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 ni pi = 1.96 E20/cm^-3
制造异质结通常采用外延生长法。
半导体p-n结,异质结和异质结构
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。
1. 用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开
关二极管，
2. 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；
半导体p-n结,异质结和异质结构
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.
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。
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p-n结,异质结和异质结构
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。