第六章 pn结
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半导体物理_第六章_pn结
Jn dEF dx n n
qDp dEF J p p0 kT dx
电流密度与费米能级的关系 对于平衡的pn结，Jn, Jp均为零，因此，
Jp dEF dx p p
EF=常数
qDp dEF J p p0 kT dx
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方， EF随 位置变化小，而载流子浓度小的地方， EF随位置 变化较大。
非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导 体的过程。
注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化 为空穴流，直到全部复合为止。
扩散电流〉漂移电流
根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界 面的总电流是相等的。只是电子电流和空穴电流 的比例不同。 总电流=扩散电流+漂移电流
反向偏移下，非平衡状态 外加反向电场与内建势场方向一致。
1. pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：
EFn Ei n p ni exp( ) k0T EFn EFP n p p p ni exp( ) k0T
2
p p ni exp(
Ei EFp k0T
)
在pp’边界处， x=-xp, qV=Efn-Efp,
qV n p ( x p ) p p ( x p ) ni exp( ) k0T
电子电势能-q V(x)由n到p不断升高 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 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-qV(x)一致
k0T n Dn q
k0T n Dn q
同理，空穴电流密度为：
qV x p ( ) 0 2. 加反向偏压下，如果qV>>k0T, e k0T
第6章pn结ppt课件-PPT精选文档
的 ， 电 区 带
E(x) dx = Em W / 2
-xP -xP 0 xn x
第6章 pn结
• •
热平衡态下的p-n结
p-n结空间电荷层、势垒层、内建电场
非平衡态下的p-n结
p-n结的直流伏安特性(整流)
•
pn结电容
势垒电容 扩散电容
p型、n型半导体
•
•
掺杂
掺入(doping)V族元素，P或 As(施主，Donor)形成 n型 (negative)半导体
Si
Si
Si
•
Si
两边的载流子分别往对方扩散 → 电离杂质中心形成空间电荷 → 产生电场 内建电场： n区指向p区，从正 电荷指向负电荷的电场，引起 载流子的漂移运动
p
n
漂移
扩散 导带电子的运动
电场阻挡载流子的扩散 空间电荷层又称为势垒层
空间电荷区
单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两种半导体结合形成PN结时， 将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
称为 约化浓度。
4、pn结接触电势差
最大电场Em在结界面处 p-n结的内建电势VD也就是p型半 导体和n型半导体之间的接触电 势差。
VD = -
p
－ －
＋ ＋
n
电 场 E
∫
xn
由 于 从 n 区 指 向 p 区 内 建 电 场 的 不 断 增 强 空 间 电 荷 区 内 电 子 Em 势 能 - q V ( x ) 由 n 区 向 p 不 断 升 高 ， 导 致 能 上下移动
s
s
由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 及 总的耗尽区宽度，
pn结
0.75
（2）对于给定的掺杂浓 度，VBR随二极管中半导 体的禁带宽度而增加。
引起击穿的两种物理机制：雪崩倍增和齐纳过程
雪崩倍增 原因：碰撞电离 并非在VA=-VBR处 突然出现雪崩击穿。 而是在远低于击穿 电压时，部分载流 子能够有机会获得 足够的能量来产生 碰撞电离。引入倍 增系数M。
M I I0
P162页：5.9 一个pn结二极管，其掺杂分布参见图p5.9，且满足公式
N D N A N0[1 exp(ax)]
，其中N0和a为常数。
(a) 简要地描述出耗尽近似。 (b) 根据耗尽近似，画出二极管内电荷密度示意图。 (c) 建立耗尽层内电场的表达式。
(1) 在耗尽层内，净电荷正比于ND-NA 在耗尽层外，净电荷为0 (3)
2
D n dp J p ( x' ) qDP q P i (e qVA / kT 1)e x '/ LP dx' LP N D
J J N ( x p) J P ( x xn )
DN ni 2 DP ni 2 qV A / kT I AJ qA 1 L N L N e A P D N
问：下图是室温下一个pn结二极管内的稳态载流子浓度 图，图上标出了刻度。 （a）二极管是正向还是反向偏置？并加以解释。 （b）二极管准中性区域是否满足小电流注入条件？请解 释你是如何得到答案的。 （c）确定外加电压VA。 （d）确定空穴扩散长度LP。
练习：有一个常用的经验估计数字，即pn结正向压降 每增加0.06V，正向电流要增加10倍，而正向电流增加 1倍，pn结正向电压要增加18mV，试解之。
1、pn结结构
制备pn结二极管的主要工艺步骤简图
（2）对于给定的掺杂浓 度，VBR随二极管中半导 体的禁带宽度而增加。
引起击穿的两种物理机制：雪崩倍增和齐纳过程
雪崩倍增 原因：碰撞电离 并非在VA=-VBR处 突然出现雪崩击穿。 而是在远低于击穿 电压时，部分载流 子能够有机会获得 足够的能量来产生 碰撞电离。引入倍 增系数M。
M I I0
P162页：5.9 一个pn结二极管，其掺杂分布参见图p5.9，且满足公式
N D N A N0[1 exp(ax)]
，其中N0和a为常数。
(a) 简要地描述出耗尽近似。 (b) 根据耗尽近似，画出二极管内电荷密度示意图。 (c) 建立耗尽层内电场的表达式。
(1) 在耗尽层内，净电荷正比于ND-NA 在耗尽层外，净电荷为0 (3)
2
D n dp J p ( x' ) qDP q P i (e qVA / kT 1)e x '/ LP dx' LP N D
J J N ( x p) J P ( x xn )
DN ni 2 DP ni 2 qV A / kT I AJ qA 1 L N L N e A P D N
问：下图是室温下一个pn结二极管内的稳态载流子浓度 图，图上标出了刻度。 （a）二极管是正向还是反向偏置？并加以解释。 （b）二极管准中性区域是否满足小电流注入条件？请解 释你是如何得到答案的。 （c）确定外加电压VA。 （d）确定空穴扩散长度LP。
练习：有一个常用的经验估计数字，即pn结正向压降 每增加0.06V，正向电流要增加10倍，而正向电流增加 1倍，pn结正向电压要增加18mV，试解之。
1、pn结结构
制备pn结二极管的主要工艺步骤简图
半导体物理 第六章 PN结
主要内容：
1、非平衡PN结能带图 2、PN结电流电压方程
1、非平衡PN结
（1）PN 结正偏、反偏
• 平衡PN结
P
N
• 正偏PN结
P
N
• 反偏PN结
P
N
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
（2）非平衡PN能带图
EC
E
n F
空穴 EFP
能量 EV
qVD q(VD-V)
E
p F
电子
EC
能量
EFn
EV
EC
空穴 EFP
扩散电容：
（2）突变结势垒电容
CTA2(NA r 0 N qD)A N V N (D DV)AX rD 0
XD
2r0(NAND)V (DV) qN AND
（3）线性缓变结势垒电容
CT
A3
qjr202 12(VDV)
r0A XD
XD
3
12r0(VD qj
V)
（4）扩散电容
CDa2q(np0Lnk 0Tpn0Lp)exk q p 0TV
x
x
qVD ECn EFn
电子 能量
EVn
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
• 本征费米能级 Ei 随位置 x 的变化
dEi qdV(x)
dx
dx
（3）平衡PN结的载流子分布
n ( xP) n n 0 exp
xp
qV
( x ) qV
k
xn
0
TN
D
ห้องสมุดไป่ตู้
pp0
p(x)
p n 0 expn(x )qV
§6.1 PN结及其能带图
P-N Junction and its energy band diagram
1、非平衡PN结能带图 2、PN结电流电压方程
1、非平衡PN结
（1）PN 结正偏、反偏
• 平衡PN结
P
N
• 正偏PN结
P
N
• 反偏PN结
P
N
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
（2）非平衡PN能带图
EC
E
n F
空穴 EFP
能量 EV
qVD q(VD-V)
E
p F
电子
EC
能量
EFn
EV
EC
空穴 EFP
扩散电容：
（2）突变结势垒电容
CTA2(NA r 0 N qD)A N V N (D DV)AX rD 0
XD
2r0(NAND)V (DV) qN AND
（3）线性缓变结势垒电容
CT
A3
qjr202 12(VDV)
r0A XD
XD
3
12r0(VD qj
V)
（4）扩散电容
CDa2q(np0Lnk 0Tpn0Lp)exk q p 0TV
x
x
qVD ECn EFn
电子 能量
EVn
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
• 本征费米能级 Ei 随位置 x 的变化
dEi qdV(x)
dx
dx
（3）平衡PN结的载流子分布
n ( xP) n n 0 exp
xp
qV
( x ) qV
k
xn
0
TN
D
ห้องสมุดไป่ตู้
pp0
p(x)
p n 0 expn(x )qV
§6.1 PN结及其能带图
P-N Junction and its energy band diagram
第六章pn结
Js
V
pn结的 J－V 曲线
5. 温度对pn结电流密度的影响
J Js e
qV KT
1
Js
qD p Lp
qDn pno n po Ln
Eg KT
对反向电流：
J J s e
T , Js 迅速增大 且 Eg 越大的半导体， Js 变化越块
对正向电流：
2．扩散法
用扩散法制备的p-n结一 般为缓变结，杂质浓度 逐渐变化。
N(x)
NA(x) ND
0
p
xj n 扩散结
x
杂质分布由扩散过 程和杂质补偿决定
线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用 x=xj 处的切线近似表示。 ND-NA
线性缓变结近似
xj
x
扩散结的杂质分布
但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似 N(x)
ND
0 xj NA
突变结近似
x
扩散结的杂质分布
根据杂质分布
pn结
{
突变结 缓变结
{
合金结 高表面浓度的浅扩散结 （p+n或n+p) 低表面浓度的深扩散结
二、平衡p-n结的特点
1．平衡p-n结的形成
P型材料的多子用ppo表示，少子为npo， N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示
J扩
空间电荷 空间电荷区
qV exp( ) 2 KT
四、pn结电容
低频，pn结有整流作用；高频，无整流作用 pn结电容破坏整流特性 pn结电容包括：势垒电容和扩散电容 1. 势垒电容
平衡pn结势垒区
正偏时势垒区变窄
正偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区 正偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出 反偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出 反偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区
V
pn结的 J－V 曲线
5. 温度对pn结电流密度的影响
J Js e
qV KT
1
Js
qD p Lp
qDn pno n po Ln
Eg KT
对反向电流：
J J s e
T , Js 迅速增大 且 Eg 越大的半导体， Js 变化越块
对正向电流：
2．扩散法
用扩散法制备的p-n结一 般为缓变结，杂质浓度 逐渐变化。
N(x)
NA(x) ND
0
p
xj n 扩散结
x
杂质分布由扩散过 程和杂质补偿决定
线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用 x=xj 处的切线近似表示。 ND-NA
线性缓变结近似
xj
x
扩散结的杂质分布
但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似 N(x)
ND
0 xj NA
突变结近似
x
扩散结的杂质分布
根据杂质分布
pn结
{
突变结 缓变结
{
合金结 高表面浓度的浅扩散结 （p+n或n+p) 低表面浓度的深扩散结
二、平衡p-n结的特点
1．平衡p-n结的形成
P型材料的多子用ppo表示，少子为npo， N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示
J扩
空间电荷 空间电荷区
qV exp( ) 2 KT
四、pn结电容
低频，pn结有整流作用；高频，无整流作用 pn结电容破坏整流特性 pn结电容包括：势垒电容和扩散电容 1. 势垒电容
平衡pn结势垒区
正偏时势垒区变窄
正偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区 正偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出 反偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出 反偏 V , 空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区
半导体物理第六章PN结
二、PN结的反向电流
加反向偏压时，外加电场与内 建电场方向相同，增强了势垒区的 电场强度，势垒区加宽、增高，漂 移运动超过了扩散运动。n区中的空 穴（p区中的电子）一旦到达势垒区 边界处，就立即被电场扫向p区（n 区），构成了pn结的反向电流，方 向由n区到p区。
一、PN结的正向电流
多子电流与少子电流的转换
注入的非平衡少子在扩散过程中与多子相遇
中性区 势垒区 扩散区 扩散区 中性区 + p n
而不断复合，经过一个扩散长度后，复合基 本完毕，载流子浓度接近平衡数值。非平衡 少子边扩散边复合的区域称为扩散区，载流 子浓度接近平衡值的区域称为中性区 半导体中的电流主要由多子运载，然而pn结 正向电流是由电注入的非平衡少子引起的。 �非平衡少子被多子复合并非电流的中断， 因为与少子复合的多子是从n区的右边过来的 电子，所以它们的复合正好实现了少子电流 到多子电流的转换，如图c所示。
qV ) k0T
� pn结的正向电流随正向偏压呈指数规律增长。
一、PN结的正向电流
正偏压作用下的能带图
1、由于正偏压的作用，势垒高度下降， pn结不再处于平衡状态，在势垒区和扩散区，电子 准费米能级和空穴准费米能级不一致，而在中性区二者则趋于重合。 �说明通过势垒边界分别注入到两侧的非平衡载流子扩散一段距离后才复合完毕。而中性区 载流子的分布接近热平衡分布，故在中性区，两个准费米能级趋于汇合成统一的费米能级。
qα j x d 2V ( x ) ρ ( x) = − = − dx 2 ε sε 0 ε sε 0
xD 对上式积分，并利用边界条件 ε ⎛ ± ⎜ ⎝ 2
⎞ ⎟ = 0 , 得： ⎠
ε ( x) =
qα j
2ε sε 0x − Nhomakorabea2
第六章 pn结
qV
单向导电性---整流
半导体物理学
34
（4）影响p-n结伏-安特性的主要因素：
产生偏差的原因：
a.正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压 时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。 b.在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。
半导体物理学
35
p-n结的直流伏-安特性表明： 1. 具有单向导电性。
半导体物理学
9
刚接触，扩散＞＞漂移
内建电场
漂移
扩散=漂移 （达到动态平衡）
空间电荷区 Space charge region 阻挡层 耗尽区 Depletion region
半导体物理学
10
2.能带图 (Enery band diagram) EFn高于EFp表明两 种半导体中的电子 填充能带的水平不 同。
实际的PN结是利用掺杂的补偿效应形成的 1. 合金 2.扩散 3.注入 4.外延生长
Alloyed Junctions (合金结) Diffused Junctions (扩散结)
合金温度 降温再结晶
合金法
半导体物理学
2
扩散法
半导体物理学
3
离子注入
半导体物理学
4
外延生长工艺 “外延”指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。新 生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸而成，故 称“外延层”。
势垒区 VD：接触电势差
半导体物理学
11
3.接触电势差 (The Contact Potential) VD
平衡时
势垒高度
qVD ( EC ) P ( EC )n ( EV ) P ( EV )n
EFn EFp
半导体物理学
单向导电性---整流
半导体物理学
34
（4）影响p-n结伏-安特性的主要因素：
产生偏差的原因：
a.正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压 时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。 b.在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。
半导体物理学
35
p-n结的直流伏-安特性表明： 1. 具有单向导电性。
半导体物理学
9
刚接触，扩散＞＞漂移
内建电场
漂移
扩散=漂移 （达到动态平衡）
空间电荷区 Space charge region 阻挡层 耗尽区 Depletion region
半导体物理学
10
2.能带图 (Enery band diagram) EFn高于EFp表明两 种半导体中的电子 填充能带的水平不 同。
实际的PN结是利用掺杂的补偿效应形成的 1. 合金 2.扩散 3.注入 4.外延生长
Alloyed Junctions (合金结) Diffused Junctions (扩散结)
合金温度 降温再结晶
合金法
半导体物理学
2
扩散法
半导体物理学
3
离子注入
半导体物理学
4
外延生长工艺 “外延”指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。新 生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸而成，故 称“外延层”。
势垒区 VD：接触电势差
半导体物理学
11
3.接触电势差 (The Contact Potential) VD
平衡时
势垒高度
qVD ( EC ) P ( EC )n ( EV ) P ( EV )n
EFn EFp
半导体物理学
半导体物理学第6章(pn结)
n n p ( x p ) eqVA / kT 1 NA
2 i
2 qV A / kT i
2 i
P
N
n p ( x p ) pn ( xn )
耗尽层边界(续)
N型一侧
n pn ( xn ) eqVA / kT 1 ND
2 i
耗尽层边界处非平衡载流子浓度与 外加电压有关
工艺简介:
♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结 ♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂 ♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是在1011-1016 离子数/cm2范围），用于形成 浅结 杂质分布的简化: ♦突变结 ♦线性缓变结
②平衡p-n结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到 动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结) ♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
热平衡条件
P N Hole
Ec
Ef
Silicon (p-type)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
2 i
2 qV A / kT i
2 i
P
N
n p ( x p ) pn ( xn )
耗尽层边界(续)
N型一侧
n pn ( xn ) eqVA / kT 1 ND
2 i
耗尽层边界处非平衡载流子浓度与 外加电压有关
工艺简介:
♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结 ♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂 ♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是在1011-1016 离子数/cm2范围），用于形成 浅结 杂质分布的简化: ♦突变结 ♦线性缓变结
②平衡p-n结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到 动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结) ♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
热平衡条件
P N Hole
Ec
Ef
Silicon (p-type)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
第六章PN结
正向偏置非平衡少子和电流的分布
电 子 积 累 电场方向 空 穴 积 累
P
n
P
n
a. 少子的分布
pn
电流的分布
（4）势垒区电场的改变破坏了平衡时载流子扩散流 与漂移流的动态平衡。 反偏时：电场增强，漂移流大于扩散流，即在 （-xp）处被电场驱赶过结区到达n区的电子多于 从n区扩散过来的电子，造成-xp处电子（少子） 的浓度低于平衡时的浓度；同样在xn处，电场扫 过结的空穴多于从p区扩散来的空穴，造成xn处空 穴浓度下降，这一过程称为空穴的抽出，在-xp和 xn处少子的减少，分别由各自体内扩散来补充， 最终形成稳定分布。
（3）正向大注入效应
• 当正向偏压比较大时，注入的少子浓度可以相当大，以至 ∆pn(xn)≥ nn0 ∆ pp(-xp)≥pp0 接近或超过原多子浓度。 由于介电驰豫作用，要保持电中性，也有同样浓度的多 子积累： ∆pn(xn)= ∆nn(xn) ; ∆ pp(-xp)= ∆ np(-xp) 注入的非平衡载流子向体内扩散，但由于电子和空穴的 扩散系数不同，又破坏了电中性，在扩散区内产生自建电 场，此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动，同时又加 快扩散得慢的空穴的运动，从而使两者的浓度梯度基本保 持一致。
方法和步骤： （1）写出N区和p区的扩散方程 （2）边界条件 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过pn结的电流 Ip和In
扩散方程和边界条件
pn结定律:
np pp = n e
2 i
E Fn − E Fp kT qV 2 kT i
n p (− x p ) p p (− x p ) = n e n qV n p (− x p ) = e N A kT n p n ( xn ) = e ND
第六章 p-n结
E ( x ) EF n( x) N c exp[ ] k0T E ( x) qV ( x),
对于n区，V ( xn ) VD , E ( x) qVD qVD EF qVD EF nn 0 Nc exp[ ] Nc exp[ ] k0T k0T
qV ( x) EF qV ( x) qVD qVD EF n( x) Nc exp[ ] Nc exp[ ] k0T k0T qV ( x) qVD nn 0 exp[ ] k0T
qV(x)
Ecp
-xp
0
x
xn
-qVD
x
Evp
Ecn EF Evn
p
平衡p-n结中电势能
n
对于非简并材料，
1 * 32 (2mn ) 2 g ( E ) 4 V [ E E ( x )] h3 1 * 32 (2mn ) E EF 2 dn 4 exp( )[ E E ( x )] dE 3 h k0T
势垒区的载流子浓度很低，好象被耗尽，所以又称为 耗尽区。
6.2 p-n 结电流电压特性
一、非平衡状态下的p-n 结
1.外加电压下，p-n结势垒的变化及载流子的运动
A. p-n 结加正向电压 p-n结加正向偏压V（p区 接电源正极，n区接负极） 时，因势垒区内载流子 浓度很小，电阻很大， 而势垒区外的p区和n区 中载流子浓度很大，电 阻很小，所以外加正向 偏压基本在势垒区。
4
32 ( 2m* ) p
h3
1 E EF E ( x) E 2 exp( )[E ( x) E ] dE, (令 z) k0T k 0T 0
h3
32 ( 2m* k T ) p 0
6.1 p-n结及其能带图(雨课堂课件)
-+
⑤
④ - ③+②
①
-+
-+
3、p-n结能带图
(1)能带图 p-n结形成之前：
EFn高于EFp
两块半导体接触，形成p-n结： 费米能级是随着能带一起移动 的； p-n结达到平衡时，费米 能级处处相等；没有净电流流 过p-n结。
3、p-n结能带图
(2) 平衡p-n结费米能级处处相等，可以从电流密度方程式推出
第六章 p-n结 p-n junction
最早实用化的半导体二极管是基于肖特基结的点接触晶体二 极管。肖特基结，也就是金属-半导体接触形成的单向导电结 ，是于1938年由肖特基和莫特分别独立发明。
1939年，贝尔实验室的奥尔发现了掺杂不均匀的半导体材料 会出现单向导电性，并由此发现了pn结。
1949年，贝尔实验室的肖克利推导出了pn结的电流公式， 并制造出了锗基pn结二极管。
Jp
pp
对平衡p-n结，Jn
,
Jp均为0。
dEF dx
0 EF
常数
3、p-n结能带图
上两式还说明：当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF 随位置变化小，而载流子浓度小的地方，EF 随位置变化就大。
(有非平衡载流子的情况，电流密度不为零，第二节)
(3) “势垒”，“势垒区” 空间电荷区也叫势垒区。
电子势垒
空穴势垒
4、p-n结接触电势差
平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD 称之为接触电势差或 内建电势差。能带的弯曲量qVD 称为势垒高度。
qVD EFn EFp
nn0
ni
exp
EFn Ei k0T
,
np0
ni
exp
第6章pn结ppt课件
p-n结的制作过程
衬底制备 → 氧化 → 光刻出窗口 → 从窗口掺入杂质 (高温扩散或离子注入) → 形成p-n结。
SiO2
n型衬底
1. ( 表面制备 )
杂质
n型衬底
2. ( 氧化 )
n型衬底
3. ( 光刻 )
n型衬底
4. ( 扩散 )
p
n型衬底
5. ( p-n结 )
6. ( 做电极 和封装等 )
不断升高，导致能带
上下-x移P 动0
xn
x
qVD EF Ei
W
内建电势 的求解
对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi
Vbi
xn xp
E(x) dx
1 2
xn xp
Emax
s
2qN0
E2 max
1
或
Emax
2qN
s
0
Vbi
2
（2-10）
qV ( x)qVD
∴ n(x) nn0 e k0T
同理：
qVD qV ( x)
p(x) pn0 e k0T
qVD
np0 nn0e k0T
qVD
pn0 pp0e k0T
势垒区中，电子、空穴服从玻耳兹曼分布
多子浓度指数衰减，与相应的n区，p区体内相比，多 子好像被耗尽一样，因此一般常把势垒区叫耗尽区
ln
ni
EF Ei k0T
d (ln n) 1 ( dEF dEi )
dx
k0T dx dx
Jn
nqn
E
半导体物理 第六章 pn结ppt课件
E E cn x n n exp( ) x n 0 k T 0
qV ( x ) qV D n ) n 0exp( k T 0
当 X=Xn时，V(x)=VD,
n(x)=nn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, n(-xp)=nn0
qV D n ( x ) n n exp( ) p p 0 n 0 k T 0
产生漂移电流
6.1.3
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流到n区。
最后，Pn具有统一费米能级EF,
EFn不断下移，EFp不断上 Pn结处于平衡状态。 移,直到EFn=EFp，
能带发生整体相对移动与pn结空 间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，
使漂移电流〉扩散电流
少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被 势垒区强场驱向p区， p区边界pp’处的电子被驱向n 区。
qV D p p exp( ) n 0 p 0 k T 0
平衡时，pn结具有统一的费米 能级，无净电流流过pn结。 1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 势垒区：载流子浓度很小，电阻很大； 势垒外：载流子浓度很大，电阻很小； 外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与 内建电场方向相反， 产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小； 载流子扩散流〉漂移流， 净扩散流〉0 ； 宽度减小； 势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)
高温熔融的铝冷却后，n型硅片 上形成高浓度的p型薄层。
P型杂质浓度NA,
n型杂质浓度ND,
特点：交界面浓度发生突变。
在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。 杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为缓变结。
半导体物理学第6章(pn结)
6.1.1 pn结的形成和杂质分析
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
★ 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)
p(x) NV e
kT
pp0e kT
即有: x xp
n np0
p pp0
xn x
n nn0
p pn0
xp x xn
eV ( x)
n(x) np0e kT
eVD
np0 nn0e kT
eV ( x)
p(x) pp0e kT
eVD
pn0 pp0e kT
理想二极管方程(1)
新的坐标:
0
Dp
d 2pn dx'2
pn
p
边界条件:
-xp
xn
x
X’
0
pn (x' ) 0
pn (x'
0)
ni2 ND
eqVA / kT 1
空穴电流
一般解
pn (x')
A ex'/ LP 1
A ex'/ LP 2
其中, LP DP P
♦ 正向偏压时，在少子扩散区, 少子复合 率>产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率>复合率(少数载流子被抽取)
♦ 反向时, 少子浓度梯度很小反向电流 很小
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
★ 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)
p(x) NV e
kT
pp0e kT
即有: x xp
n np0
p pp0
xn x
n nn0
p pn0
xp x xn
eV ( x)
n(x) np0e kT
eVD
np0 nn0e kT
eV ( x)
p(x) pp0e kT
eVD
pn0 pp0e kT
理想二极管方程(1)
新的坐标:
0
Dp
d 2pn dx'2
pn
p
边界条件:
-xp
xn
x
X’
0
pn (x' ) 0
pn (x'
0)
ni2 ND
eqVA / kT 1
空穴电流
一般解
pn (x')
A ex'/ LP 1
A ex'/ LP 2
其中, LP DP P
♦ 正向偏压时，在少子扩散区, 少子复合 率>产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率>复合率(少数载流子被抽取)
♦ 反向时, 少子浓度梯度很小反向电流 很小
第六章__PN结
pn 0 ni2 ND
n p0
ni2 NA
31
32
33
讨论:
•J-V关系
J
qV k0T 0.026 eV
V
qV J J s exp k T 1 0
qV J J s exp kT 0
qV J D J 0 exp kT 0
qDp ni2 qDn ni2 J0 LN Ln N A p D
p+-n结
qV J D 2ni Lp exp 2k T Jr N D X D 0
J= Jp +Jn Jp Jn
-Xp Xn
Jn Jp
X
J Jn J p
qV J J s exp k T 1 0
qDp n qDn n Js LN LN n A p D
2 i 2 i
Shockley Equation
受温度影响很大。 温度每升高10℃，IS约增加一倍。
36
四、 PN结中影响电流电压关系的因素
37
1、势垒区的产生和复合电流
•复合电流(正向偏压)
np ni2 u p ( n n1 ) n ( p p1 )
J r x eu( x )dx
xn
p
EC ( x ) EFn n( x ) N C exp k0T
x xp n( x) n( x p ) exp L n
umax
2 i
qV qV n exp k T 1 2 ni exp 2 k T 1 0 0
第六章 pn结
School of Microelectronics
School of Microelectronics
School of Microelectronics
School of Microelectronics
School of Microelectronics
得
V1 =
qN A ( x 2 + x 2 ) p 2ε r ε 0
+
qN A xx p
ε rε 0
(− x p < x < 0) (0 < x < x n )
2 qN D ( x 2 + x n ) qN A xx n V2 = V D − + 2ε r ε 0 ε rε 0
（2）突变结的势垒宽度
VD = qN A N AND 2 ( )X D 2ε r ε 0 N A + N D 2ε r ε 0 N A + N D ( ) q N AND
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§ 6.3 p-n结电容 结电容
1 p-n结电容的来源
（1）势垒电容：势垒区空间电荷随外加电压改变而改变 以CT表示 （2）扩散电容：扩散区的电荷数量随外加电压的改变而改 变以CD表示 （3）p-n结总电容定义： C=dQ/dV 是随外加偏压而改变的
3 qα j X D
α j为杂质浓度梯度
CT = A3
2 qα j ε r2 ε 0
12ε r ε 0 (VD − V )
School of Microelectronics
School of Microelectronics
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计算势垒边界的非平衡载流子浓度； p区的载流子浓度为：
p区载流子浓度的乘积：
边界处
多子 p区平衡少子
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度： P区非平衡少子数：
n区非平衡少子为： pn结中非平衡少子是由外加正向电压引起——电注入
第六章
pn 结
Ec Ei
—— pn结能带图
p型半导体
n型半导体 e
Ec
ED EFn
当两块半导体结合形成pn结时，电子将从高能级的n区向低能级的 p区流动；空穴从p区流向n区。 电子空穴的相对秱动，使得EFn相对降低，而EFp相对抬高。当 Efn=Efp时达到动态平衡。 Ec -qVD
EFp EA Ev Ei
ED EFn
EFp EA Ev
Ev
Ec
+qVD
Ev
第六章
pn 结
Ec Ei
—— pn结能带图
-qVD
+qVD
EFp EA Ev
ED EFn
Ec
电子从高浓度到低浓度扩散，其(n区)电势能降低；对于p区电子的 电势能增大，即引起能带的整体上下秱动。 载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流 子电势能的改变量。
扩散 h h h h
空间电荷区：
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
p型区的空穴浓度较高，n型区的电子浓度较高。当两者接触时，n 型区的电子向p区扩散，p型区的空穴向n区扩散。 n区的电子向p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p区的空穴向 n区扩散，受主杂质被电离成负电中心。随着扩散的进行，电离中 心浓度逐渐增大。 电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子 做漂秱运动。载流子的扩散不漂秱最终达到动态平衡。
电离中心 内建电场
Ev
e n e e e
扩散
+ + + +
-
扩散
h h h h
p
浓度梯度形成的电场
第六章
pn 结
—— pn结能带图
流过pn结的总电流密度为漂秱电流和扩散电流密度之和：
费米能级的改变=电势能的改变
第六章
pn 结
—— pn结能带图
准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯 度引起)导致非平衡电流的产生。 当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费米面的位置变化小
完全电离 内建电势差不pn结两端的杂质浓度、温度和禁带宽度有关。在一定 温度下，两端杂质浓度差越大，禁带越宽，接触电势差越大。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
要想求出载流子的分布(浓度)，应先计算出态密度。 态密度 分布凼数
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
pn结中电子的浓度为： 类似的空穴浓度为：
第六章
pn 结
—— 目录
pn结及其能带图
pn结的电压电流特性
pn结电容
pn结击穿
第六章
pn 结
—— 引言
n型半导体中载流子的浓度和运动特征 p型半导体中载流子的浓度和运动特征
p型半导体+n型半导体=？
pn结是晶体管、集成电路的基础，了解和掌握pn结的形状具有很 重要的意义……
第六章
第六章
pn 结
电离中心
—— 空间电荷区 内建电场 扩散 h h h h
空间电荷区： pn结形成时因电荷的扩散， 使施主和受主杂质被电离， 形成空间电荷，该区域称为 空间电荷区。 e n e e e
扩散
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。 此时，扩散了多少的载流子就有多少的电离中心参不形成内建电场。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：
在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载 流子浓度比起n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
满足玻尔兹曼分布。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度； 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布； 由扩散方程算出少子的电流密度； 得到电流电压方程。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
E
电子扩散区
Lp
p
EFp
Ecn
q(VD-V)
EFn
Evp
Ln
n
空穴扩散区 Evn
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加反电压下，pn结的能带图
在反向偏压下，内建电场增强，载流子的漂秱电流增大，出现EF的 劈裂： p
EFp
Ecp
EFn
n
E
电子扩散区
p
EFp
Evp
e h Ln
Lp
q(VD+V)
Ecn
EFn
半导体物理
施洪龙 hlshi@
电话：68930256
地址：中央民族大学1#东配楼
目录
第一章 半导体中的电子状态 第二章 半导体中的杂质和缺陷 第三章 载流子的统计分布
第九章 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应
第四章 半导体的导电性
第五章 非平衡载流子 第六章 pn结 第七章 金属和半导体的接触 第八章 半导体电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 通解 边界条件：x→无穷 x=xn
非平衡少子分布
在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 通解 边界条件：x→无穷 x=xn
非平衡少子分布
在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布
内建电场(qVD-qV)减弱，打破了载流子扩散不漂秱的平衡态，使 扩散流起主导，存在净扩散电流。 电子从n区扩散到p区，成为p区的非平衡载流子，它们在p区边扩 散边被空穴复合。在p区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区 E 域为扩散区。
在pn结两端外加正向偏压，使非平衡载流子 注入半导体中，称为非平衡载流子的电注入。
如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：
在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载 流子浓度比起n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加正向电压V，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小， 正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场(qVD-qV)；
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加反向直流电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加反向电压V，增强内建电场(qVD+qV)，增强了载流子的漂 秱;
n区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p区，p区边界处扩散 过来的电子被驱赶回n区； 结区内的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的 扩散流，即少子的丌断抽取或吸取。 E 在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度趋 于零，此时pn结的电流较小→0.
平衡时，
，pn结内没有电流。
pn结在空间电荷区能带发生弯曲，这是内建电场引起的。 电子从低势能的n区向高势能的p区运动时，必须爬过高坡，即pn 结的势垒；空间电荷区又称势垒区。
第六章
pn 结
—— pn结接触电势差
内建电场ED对应的电势能qVD为pn结的势垒高度。 内建电场由准费米能级差引起： 非简并态的载流子浓度为： 相除取对数
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加正向电压下，pn结的能带图 在空穴扩散区，电子浓度高，EFn较高(平直)，非平衡载流子对其影 响较小；空穴浓度小，影响大； 靠近结区，空穴浓度增大，EFn和EFp逐渐发生劈裂；
到结区边界，空穴浓度最高，EF劈裂程度最大；
Ecp
在正向偏压下有非平衡载流子注入半导体中，使费米能级发生劈裂：
pn 结
—— pn结的形成
P型 合金法： 在n型单晶硅上放一粒金属铝(p)， 铝不硅合金化后在其界面上形成 pn结。
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结
杂质分布特点：
施主杂质均匀地分布在n型区； 受主杂质均匀地分布在p型区； 界面上杂质浓度发生突变。
第六章
pn 结
—— pn结的形成
n
空穴扩散区 Evn
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结模型
小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多； 突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由 电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性； 丌考虑耗尽层中载流子的产生不复合作用，即通过耗尽层的电子和 空穴的电流是常数；
P型 扩散法： 在n型单晶硅上通过氧化、光刻、 扩散等工艺制备pn结。 通常为线性缓变结
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结
p区载流子浓度的乘积：
边界处
多子 p区平衡少子
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度： P区非平衡少子数：
n区非平衡少子为： pn结中非平衡少子是由外加正向电压引起——电注入
第六章
pn 结
Ec Ei
—— pn结能带图
p型半导体
n型半导体 e
Ec
ED EFn
当两块半导体结合形成pn结时，电子将从高能级的n区向低能级的 p区流动；空穴从p区流向n区。 电子空穴的相对秱动，使得EFn相对降低，而EFp相对抬高。当 Efn=Efp时达到动态平衡。 Ec -qVD
EFp EA Ev Ei
ED EFn
EFp EA Ev
Ev
Ec
+qVD
Ev
第六章
pn 结
Ec Ei
—— pn结能带图
-qVD
+qVD
EFp EA Ev
ED EFn
Ec
电子从高浓度到低浓度扩散，其(n区)电势能降低；对于p区电子的 电势能增大，即引起能带的整体上下秱动。 载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流 子电势能的改变量。
扩散 h h h h
空间电荷区：
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
p型区的空穴浓度较高，n型区的电子浓度较高。当两者接触时，n 型区的电子向p区扩散，p型区的空穴向n区扩散。 n区的电子向p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p区的空穴向 n区扩散，受主杂质被电离成负电中心。随着扩散的进行，电离中 心浓度逐渐增大。 电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子 做漂秱运动。载流子的扩散不漂秱最终达到动态平衡。
电离中心 内建电场
Ev
e n e e e
扩散
+ + + +
-
扩散
h h h h
p
浓度梯度形成的电场
第六章
pn 结
—— pn结能带图
流过pn结的总电流密度为漂秱电流和扩散电流密度之和：
费米能级的改变=电势能的改变
第六章
pn 结
—— pn结能带图
准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯 度引起)导致非平衡电流的产生。 当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费米面的位置变化小
完全电离 内建电势差不pn结两端的杂质浓度、温度和禁带宽度有关。在一定 温度下，两端杂质浓度差越大，禁带越宽，接触电势差越大。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
要想求出载流子的分布(浓度)，应先计算出态密度。 态密度 分布凼数
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
pn结中电子的浓度为： 类似的空穴浓度为：
第六章
pn 结
—— 目录
pn结及其能带图
pn结的电压电流特性
pn结电容
pn结击穿
第六章
pn 结
—— 引言
n型半导体中载流子的浓度和运动特征 p型半导体中载流子的浓度和运动特征
p型半导体+n型半导体=？
pn结是晶体管、集成电路的基础，了解和掌握pn结的形状具有很 重要的意义……
第六章
第六章
pn 结
电离中心
—— 空间电荷区 内建电场 扩散 h h h h
空间电荷区： pn结形成时因电荷的扩散， 使施主和受主杂质被电离， 形成空间电荷，该区域称为 空间电荷区。 e n e e e
扩散
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。 此时，扩散了多少的载流子就有多少的电离中心参不形成内建电场。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：
在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载 流子浓度比起n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
满足玻尔兹曼分布。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度； 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布； 由扩散方程算出少子的电流密度； 得到电流电压方程。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
E
电子扩散区
Lp
p
EFp
Ecn
q(VD-V)
EFn
Evp
Ln
n
空穴扩散区 Evn
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加反电压下，pn结的能带图
在反向偏压下，内建电场增强，载流子的漂秱电流增大，出现EF的 劈裂： p
EFp
Ecp
EFn
n
E
电子扩散区
p
EFp
Evp
e h Ln
Lp
q(VD+V)
Ecn
EFn
半导体物理
施洪龙 hlshi@
电话：68930256
地址：中央民族大学1#东配楼
目录
第一章 半导体中的电子状态 第二章 半导体中的杂质和缺陷 第三章 载流子的统计分布
第九章 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应
第四章 半导体的导电性
第五章 非平衡载流子 第六章 pn结 第七章 金属和半导体的接触 第八章 半导体电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 通解 边界条件：x→无穷 x=xn
非平衡少子分布
在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 通解 边界条件：x→无穷 x=xn
非平衡少子分布
在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布
内建电场(qVD-qV)减弱，打破了载流子扩散不漂秱的平衡态，使 扩散流起主导，存在净扩散电流。 电子从n区扩散到p区，成为p区的非平衡载流子，它们在p区边扩 散边被空穴复合。在p区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区 E 域为扩散区。
在pn结两端外加正向偏压，使非平衡载流子 注入半导体中，称为非平衡载流子的电注入。
如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：
在室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载 流子浓度比起n和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加正向电压V，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小， 正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场(qVD-qV)；
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加反向直流电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加反向电压V，增强内建电场(qVD+qV)，增强了载流子的漂 秱;
n区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p区，p区边界处扩散 过来的电子被驱赶回n区； 结区内的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的 扩散流，即少子的丌断抽取或吸取。 E 在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度趋 于零，此时pn结的电流较小→0.
平衡时，
，pn结内没有电流。
pn结在空间电荷区能带发生弯曲，这是内建电场引起的。 电子从低势能的n区向高势能的p区运动时，必须爬过高坡，即pn 结的势垒；空间电荷区又称势垒区。
第六章
pn 结
—— pn结接触电势差
内建电场ED对应的电势能qVD为pn结的势垒高度。 内建电场由准费米能级差引起： 非简并态的载流子浓度为： 相除取对数
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加正向电压下，pn结的能带图 在空穴扩散区，电子浓度高，EFn较高(平直)，非平衡载流子对其影 响较小；空穴浓度小，影响大； 靠近结区，空穴浓度增大，EFn和EFp逐渐发生劈裂；
到结区边界，空穴浓度最高，EF劈裂程度最大；
Ecp
在正向偏压下有非平衡载流子注入半导体中，使费米能级发生劈裂：
pn 结
—— pn结的形成
P型 合金法： 在n型单晶硅上放一粒金属铝(p)， 铝不硅合金化后在其界面上形成 pn结。
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结
杂质分布特点：
施主杂质均匀地分布在n型区； 受主杂质均匀地分布在p型区； 界面上杂质浓度发生突变。
第六章
pn 结
—— pn结的形成
n
空穴扩散区 Evn
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结模型
小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多； 突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由 电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性； 丌考虑耗尽层中载流子的产生不复合作用，即通过耗尽层的电子和 空穴的电流是常数；
P型 扩散法： 在n型单晶硅上通过氧化、光刻、 扩散等工艺制备pn结。 通常为线性缓变结
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结