半导体物理PN结

PN结费米能级处处相等 标志PN结达到动态平衡， 无扩散、漂移电流流过。
动态平衡时
本征费米能级Ei的变化与电子的电势能-qV(x)的变化一致， 所以：
PN结接触电势差
如图所示，在PN结的空间电荷区中，能带发生 弯曲，这是空间电荷区中电势能变化的结果。 因为能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高 的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”， 才能到达p区，这一势能“高坡”通常称为PN 结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。
对非简并材料， x点的电子浓度 n(x)，应用第三章计算平衡时导 带载流子浓度计算方法

2（ m*k0T 3 2
3
）2
exp(E F E x ) k0T
因为E(x)=-qV(x)
nn0

Nc
exp(E F
Ecn k0T
),E cn

qVD
nx

nn0
exp(Ecn E x k0T
ln nn0 np0

1
k0T
(E Fn

E Fp )
因为nn 0

N D ,np 0

ni 2 NA
VD

1 q
(EFn
EFp )

k0T q
(ln
nn0 ) np0
接触电势差：
PN结的载流子分布：
平衡时的pn结，取p区电势为零， 则势垒区中一点x的电势V(x)正值，
x点的电势能为E(x)=-qV(x)
• PN结具有单向导电性。热平衡状态下，PN结的任何区域 满足n0p0=ni2。Ｐ区、N区和ＰN结内具有统一的费米能级。
PN结的典型工艺方法（1）：
高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓 度Al的p型Si薄层。它与n型硅衬底的交界 面处就是PN结（这时称为铝硅合金结）。
P型区中施主杂质浓度NA,均匀分步;
PN结的形成机理（2）：
内电场作用促进少子的漂移运动，使N区的少子空穴向P区漂移，P区的少子电子向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，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间 电荷区变窄，扩散运动加强。 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面 两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方 向由N区指向P区。在空间电荷区，由于基本上没有自由载流子，所以也称耗尽层。P、 n两侧空间电荷总数相同，对外保持整体的电中性。
半导体物理第六章 PN结
一组制作
什么是PN结？
• 在一块n型（或者p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法 （合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或 者n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n 型和p型的导电类型，在两者的交界面处所形成的空间电 荷区就是pn结。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半 导体性质相同，不属于PN结区域。
图中可知，势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使平衡 pn结的费米能级处处相等，因此有：qVD=EFn-EFp。
nn0、np0分别为平衡时n、p区的电子浓度对于非简并半导体 可得：
nn0

ni
exp(E Fn k0T
Ei
)
np0

ni
exp(E Fp k0T
Ei
)
两式相除取对数可得：
• 这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空 间电荷区，空间电荷区的宽度和掺杂物浓度有关。在空间电荷 区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成 了内电场。内电场方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显 然，内电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止多子扩 散。并且，内电场在P、N交界处最强。
PN结的形成机理（1）：
• 在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多 子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为 少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。
• 由于自由电子和空穴存在浓度差，有一些电子从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。开路中半导体中的离子不 能任意移动，因此不参与导电。
PN结能带图
两个半导体结合成pn结时，电子从费米能级高的n区流向费米能 级低的p区，空穴从p区流到n区。EFn不断下移（事实上，费米 能级是随着n区能带下移），EFp不断上移,直到EFn=Efp。这时PN 结具有有统一费米能级Ef，PN结处于平衡状态
能带相对移动的原因是pn结空间 电荷区中存在内建电场的结果。 随内建电场(n p)不断增大，V(x) 不断降低，电子电势能-q V(x)由 n到p不断升高，所以P区能带整 体相对n区上移，n区能带整体相 对p区下移，直到具有统一费米 能级，能带相对移动停止。
n型区中受主杂质浓度ND,均匀分布; 特点：交界面杂质浓度发生突变。——突变结
突变结：杂质浓度由NA突变到ND,具有这种杂质分布的pn结称为突变结。 上图所示，pn结位置在x=Xj，则突变结杂质分布：
x<Xj,N(x)=Na x>Xj,N(x)=Nd 实际上，两边杂质相差很多，例如n区杂质浓度为1016cm-3，p区为1019cm-3. 通常成这种突变结为单边突变结（这里是P+n结）。
)

nn0
exp(
qV
(x) k0T
qVD
)
当 X=-Xp时，V(x)=0, n(-xp)=np0
n(xp )

np0

nn0
exp(
qVD k0T
)
n(-xp)P区的少数载流子浓度。
同理，X点空穴浓度为，
px

pn0 exp(qVD
qV(x )) k0T
PN结的典型工艺方法（2）：
扩散结
杂质分布： x<Xj,Na>Nd x>Xj,Na<Nd
在n型单化，称为缓 变结。
在扩散结中，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，杂质分布表示为：
为Xj处斜率，称为杂质浓度梯度。决定于扩散杂质的实际分布，可以用实 验方法测定。但是对于高表面浓度的浅扩散结，Xj处斜率很大，这时扩散 结用突变结来近似。