半导体物理学第6章(pn结)
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♦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
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
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
第六章 p-n结
§1 p-n结及其能带图 §2 p-n结的电流电压特性 §3 p-n结电容 §4 p-n结击穿 §5 p-n结隧道效应
§ 6.1 p-n结及其其能带图
(1) p-n结的形成 (2) p-n结的基本概念
6.1 pn结及其能带图
杂质分布的简化: ♦突变结
♦线性缓变结
合金法
图6-2
图6-3
扩散法
图6-4
离子注入法
★ p-n结的基本概念
①空间电荷区:
♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯 度,导致载流子的扩散.
♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主).
♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内 建电场的方向: n→p . 在内建电场作用下, 载流子要作漂移运动.
② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电 荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内 部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空 穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
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)
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
Байду номын сангаас
与Eg有关
电势
图6-8
电子势能(能带)
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区
③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散 运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是 空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。
（见下一页的示意图）
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
Step Junction
§ 6.2 p-n结的电流电压特性
(1) dEF/dx与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的p-n结 (3) 反向偏压下的p-n结 (4) 理想p-n结 (5) 伏安特性
★ dEF/dx与电流密度的关系
EF随位置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).
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)
PN结的形成
在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩 散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷 区称为PN结。
1．PN结的形成
动态平衡下的PN结
① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于 交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区 的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于 浓度差而引起的运动称为扩散运动。
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
图6-9
平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:
♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关 系服从玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
♦ 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
Ec
Ef
Ei
Ev
Silicon
(p-type)
N
Hole
Ec Ei
Ef
Ev
Silicon
(n-type)
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建 电势决定于掺 杂浓度ND、 NA、材料禁带 宽度以及工作 温度
当p-n结有电流通过, EF就不再处处相等. 且,电流越大, EF随位置的变化越快.
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x)EF
qV ( x)
n(x) NCe
kT
np0e kT
EF EV qV ( x)
qV ( x)
p(x) NV e
kT
pp0e kT
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
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
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
第六章 p-n结
§1 p-n结及其能带图 §2 p-n结的电流电压特性 §3 p-n结电容 §4 p-n结击穿 §5 p-n结隧道效应
§ 6.1 p-n结及其其能带图
(1) p-n结的形成 (2) p-n结的基本概念
6.1 pn结及其能带图
杂质分布的简化: ♦突变结
♦线性缓变结
合金法
图6-2
图6-3
扩散法
图6-4
离子注入法
★ p-n结的基本概念
①空间电荷区:
♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯 度,导致载流子的扩散.
♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主).
♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内 建电场的方向: n→p . 在内建电场作用下, 载流子要作漂移运动.
② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电 荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内 部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空 穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
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)
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
Байду номын сангаас
与Eg有关
电势
图6-8
电子势能(能带)
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区
③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散 运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是 空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。
（见下一页的示意图）
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
Step Junction
§ 6.2 p-n结的电流电压特性
(1) dEF/dx与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的p-n结 (3) 反向偏压下的p-n结 (4) 理想p-n结 (5) 伏安特性
★ dEF/dx与电流密度的关系
EF随位置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).
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)
PN结的形成
在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩 散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷 区称为PN结。
1．PN结的形成
动态平衡下的PN结
① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于 交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区 的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于 浓度差而引起的运动称为扩散运动。
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
图6-9
平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:
♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关 系服从玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
♦ 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
Ec
Ef
Ei
Ev
Silicon
(p-type)
N
Hole
Ec Ei
Ef
Ev
Silicon
(n-type)
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建 电势决定于掺 杂浓度ND、 NA、材料禁带 宽度以及工作 温度
当p-n结有电流通过, EF就不再处处相等. 且,电流越大, EF随位置的变化越快.
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x)EF
qV ( x)
n(x) NCe
kT
np0e kT
EF EV qV ( x)
qV ( x)
p(x) NV e
kT
pp0e kT