第六章pn結(jié) (2)

1、施洪龍電話：68930256半導(dǎo)體物理地址：中央民族大學(xué)1#東配樓目錄第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷第三章 載流子的統(tǒng)計分布第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性第五章 非平衡載流子第六章 pn結(jié)第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸第八章 半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)第九章 半導(dǎo)體中的光電現(xiàn)象第十章 半導(dǎo)體中的熱電形狀第十一章 半導(dǎo)體中的磁-光效應(yīng)u pn結(jié)及其能帶圖u pn結(jié)的電壓電流特性u pn結(jié)電容u pn結(jié)擊穿第六章 pn 結(jié)第六章 pn 結(jié)n型半導(dǎo)體中載流子的濃度和運動特征p型半導(dǎo)體中載流子的濃度和運動特征p型半導(dǎo)體+n型半導(dǎo)體=？pn結(jié)是晶體管、集成電路的基礎(chǔ)，了解和掌握pn結(jié)的形狀具有很重要的意義

2、第六章 pn 結(jié)n型把p型和n型半導(dǎo)體通過各種工藝生長起來，兩者的交界處就是pn結(jié)合金法：在n型單晶硅上放一粒金屬鋁(p)，鋁與硅合金化后在其界面上形成pn結(jié)。雜質(zhì)分布特點：施主雜質(zhì)均勻地分布在n型區(qū)；受主雜質(zhì)均勻地分布在p型區(qū)；界面上雜質(zhì)濃度發(fā)生突變。第六章 pn 結(jié)n型把p型和n型半導(dǎo)體通過各種工藝生長起來，兩者的交界處就是pn結(jié)擴散法：在n型單晶硅上通過氧化、光刻、擴散等工藝制備pn結(jié)。通常為線性緩變結(jié)第六章 pn 結(jié)線性緩變結(jié)：低表面濃度的深擴散。突變結(jié)：合金結(jié)合和高表面濃度的淺擴散pn結(jié)空間電荷區(qū)：p型區(qū)的空穴濃度較高，n型區(qū)的電子濃度較高。當(dāng)兩者接觸時，n型區(qū)的電子向p區(qū)擴散，p型

3、區(qū)的空穴向n區(qū)擴散。n區(qū)的電子向p區(qū)擴散，施主雜質(zhì)被電離成正電中心；p區(qū)的空穴向n區(qū)擴散，受主雜質(zhì)被電離成負(fù)電中心。隨著擴散的進(jìn)行，電離中心濃度逐漸增大。電離中心濃度增強，使得內(nèi)建電場強度增大。在內(nèi)建電場下載流子做漂移運動。載流子的擴散與漂移最終達(dá)到動態(tài)平衡。neeeephhhh擴散擴散-+電離中心濃度梯度形成的電場內(nèi)建電場第六章 pn 結(jié)空間電荷區(qū)：neeeephhhh擴散擴散-+電離中心濃度梯度形成的電場內(nèi)建電場pn結(jié)形成時因電荷的擴散，使施主和受主雜質(zhì)被電離，形成空間電荷，該區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。隨著載流子的擴散，內(nèi)建電場由無逐漸增大，平衡時達(dá)到最大值。此時，擴散了多少的載流子就有多少的電

4、離中心參與形成內(nèi)建電場。第六章 pn 結(jié)p型半導(dǎo)體EcEvEAn型半導(dǎo)體EcEvEDEFpEFnEi當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成pn結(jié)時，電子將從高能級的n區(qū)向低能級的p區(qū)流動；空穴從p區(qū)流向n區(qū)。e電子空穴的相對移動，使得EFn相對降低，而EFp相對抬高。當(dāng)Efn=Efp時達(dá)到動態(tài)平衡。EcEvEDEFnEFpEcEvEAEi+qVD-qVD第六章 pn 結(jié)電子從高濃度到低濃度擴散，其(n區(qū))電勢能降低；對于p區(qū)電子的電勢能增大，即引起能帶的整體上下移動。EcEvEDEFnEFpEcEvEAEi+qVD-qVDneeeephhhh擴散擴散-+電離中心濃度梯度形成的電場內(nèi)建電場載流子擴散的結(jié)果是使雜質(zhì)

5、電離，形成內(nèi)建電場，其大小就是載流子電勢能的改變量。第六章 pn 結(jié)流過pn結(jié)的總電流密度為漂移電流和擴散電流密度之和：費米能級的改變=電勢能的改變第六章 pn 結(jié)準(zhǔn)費密能級間的差異或梯度(又載流子濃度梯度引起)導(dǎo)致非平衡電流的產(chǎn)生。平衡時，pn結(jié)內(nèi)沒有電流。當(dāng)電流密度恒定時，載流子濃度高的地方，費米面的位置變化小pn結(jié)在空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，這是內(nèi)建電場引起的。電子從低勢能的n區(qū)向高勢能的p區(qū)運動時，必須爬過高坡，即pn結(jié)的勢壘；空間電荷區(qū)又稱勢壘區(qū)。第六章 pn 結(jié)內(nèi)建電場ED對應(yīng)的電勢能qVD為pn結(jié)的勢壘高度。內(nèi)建電場由準(zhǔn)費米能級差引起：非簡并態(tài)的載流子濃度為：相除取對數(shù)完全電離內(nèi)建

6、電勢差與pn結(jié)兩端的雜質(zhì)濃度、溫度和禁帶寬度有關(guān)。在一定溫度下，兩端雜質(zhì)濃度差越大，禁帶越寬，接觸電勢差越大。第六章 pn 結(jié)要想求出載流子的分布(濃度)，應(yīng)先計算出態(tài)密度。態(tài)密度分布函數(shù)第六章 pn 結(jié)類似的空穴濃度為：pn結(jié)中電子的濃度為：第六章 pn 結(jié)如果勢壘區(qū)內(nèi)的電勢能比n區(qū)的導(dǎo)帶底高0.1eV處的電子濃度為：假設(shè)勢壘高度為0.7eV，則此處空穴濃度為：在室溫附近，對于絕大部分勢壘區(qū)，其中雜質(zhì)雖然都已電離，但載流子濃度比起n和p區(qū)的多數(shù)載流子，其濃度要小得多，常稱為耗盡層。第六章 pn 結(jié)外加正向電壓下，pn結(jié)勢壘的變化及載流子的運動Epn結(jié)加正向電壓V，由于勢壘兩側(cè)的載流子濃度很大

7、，電阻很小，正向偏壓幾乎都降落在結(jié)區(qū)，削弱內(nèi)建電場(qVD-qV)；內(nèi)建電場(qVD-qV)減弱，打破了載流子擴散與漂移的平衡態(tài)，使擴散流起主導(dǎo)，存在凈擴散電流。電子從n區(qū)擴散到p區(qū)，成為p區(qū)的非平衡載流子，它們在p區(qū)邊擴散邊被空穴復(fù)合。在p區(qū)經(jīng)過一定距離的擴散后被全部復(fù)合，該區(qū)域為擴散區(qū)。在pn結(jié)兩端外加正向偏壓，使非平衡載流子注入半導(dǎo)體中，稱為非平衡載流子的電注入。第六章 pn 結(jié)外加反向直流電壓下，pn結(jié)勢壘的變化及載流子的運動pn結(jié)加反向電壓V，增強內(nèi)建電場(qVD+qV)，增強了載流子的漂移;En區(qū)邊界處擴散過來的空穴被內(nèi)建電場驅(qū)趕回p區(qū)，p區(qū)邊界處擴散過來的電子被驅(qū)趕回n區(qū)；結(jié)區(qū)內(nèi)

8、的載流子被驅(qū)趕后由結(jié)區(qū)內(nèi)的少子補充，形成反向偏壓下的擴散流，即少子的不斷抽取或吸取。在較大的反向偏壓下，邊界處的少子濃度趨于零，此時pn結(jié)的電流較小0.第六章 pn 結(jié)外加正向電壓下，pn結(jié)的能帶圖EFnEFpEcpEvpEcnEvnLpLnpn在正向偏壓下有非平衡載流子注入半導(dǎo)體中，使費米能級發(fā)生劈裂：空穴擴散區(qū)電子擴散區(qū)在空穴擴散區(qū)，電子濃度高，EFn較高(平直)，非平衡載流子對其影響較小；空穴濃度小，影響大；靠近結(jié)區(qū)，空穴濃度增大，EFn和EFp逐漸發(fā)生劈裂；到結(jié)區(qū)邊界，空穴濃度最高，EF劈裂程度最大；Eq(VD-V)第六章 pn 結(jié)外加反電壓下，pn結(jié)的能帶圖EFnEFpEcpEvpE

9、cnEvnLpLnpn在反向偏壓下，內(nèi)建電場增強，載流子的漂移電流增大，出現(xiàn)EF的劈裂：空穴擴散區(qū)電子擴散區(qū)Eq(VD+V)nEFnEFpphe第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)模型小注入：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多子濃度小得多；突變耗盡層：外加電壓直接降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離中心的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體呈電中性；不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用，即通過耗盡層的電子和空穴的電流是常數(shù)；滿足玻爾茲曼分布。第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程計算的基本步驟：計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度；由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布；由擴散方程算出少子的電流密度；得到電流電壓

10、方程。第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程計算的基本步驟：計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度；p區(qū)的載流子濃度為：p區(qū)載流子濃度的乘積：邊界處多子p區(qū)平衡少子復(fù)合第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程計算的基本步驟： 計算勢壘邊界的非平衡載流子濃度：P區(qū)非平衡少子數(shù)：n區(qū)非平衡少子為：pn結(jié)中非平衡少子是由外加正向電壓引起電注入 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布：穩(wěn)態(tài)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程：擴散漂移第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程計算的基本步驟： 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布：穩(wěn)態(tài)空穴擴散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程：小注入電場影響甚小通解第

11、六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程計算的基本步驟： 由擴散連續(xù)性方程得到擴散區(qū)中非平衡載流子的分布：通解邊界條件：x無窮x=xn非平衡少子分布在外加電壓下，pn結(jié)中的非平衡載流子在擴散區(qū)中的分布第六章 pn 結(jié)理想pn結(jié)的電流電壓方程在外加正向偏壓下，當(dāng)V一定時在勢壘邊界處非平衡少數(shù)載流子的濃度一定，在擴散區(qū)按指數(shù)規(guī)律衰減。外加反向電壓下，如果 ,那么小注入pn結(jié)內(nèi)的總電流為：Shockley方程第六章 pn 結(jié)pn結(jié)具有單向?qū)щ娦栽谡蚱珘合拢螂娏髅芏入S正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大室溫下，qVkT，反向偏壓下，VkT J=-Js=說明反向電流密度與外加電壓無關(guān)，是個常量。反向飽和電流密

12、度pn結(jié)的單向?qū)щ娦哉餍?yīng)第六章 pn 結(jié)溫度效應(yīng)溫度升高流過pn結(jié)的電流密度迅速增大；帶隙越寬電流密度越大；溫度升高，帶隙變寬，正向電流密度增大。此外，樣品的表面效應(yīng)、勢壘區(qū)中非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、大注入、串聯(lián)電阻效應(yīng)都會使pn結(jié)的電壓特性偏離理想情況。第六章 pn 結(jié)當(dāng)pn結(jié)兩端的反向偏壓超過某一值時，反向電流密度會迅速增大，該現(xiàn)象稱為pn結(jié)擊穿；發(fā)生反向擊穿時的反向偏壓稱為pn結(jié)的擊穿電壓。雪崩擊穿、隧道擊穿、熱電擊穿是pn結(jié)中的三種擊穿。雪崩擊穿當(dāng)pn結(jié)兩端的反向偏壓增大，內(nèi)建電場增強，載流子在內(nèi)建電場下加速運動；這些電子空穴對被內(nèi)建電場加速，又激發(fā)出新的電子-空穴對，使得電流密

13、度迅速增大被加速的載流子與晶格原子相互碰撞，當(dāng)其動能達(dá)到一定程度時，會將價帶頂?shù)碾娮蛹ぐl(fā)到導(dǎo)帶中，形成電子空穴對；第六章 pn 結(jié)雪崩擊穿載流子以2n的方式增加的過程稱為載流子的倍增效應(yīng)；雪崩擊穿除了與結(jié)區(qū)的電場強度有關(guān)外，還與勢壘寬度有關(guān)；如果勢壘寬度較窄，載流子很難達(dá)到雪崩擊穿所需要的動能，就不能產(chǎn)生雪崩擊穿。第六章 pn 結(jié)隧道擊穿在強電場下，由隧道效應(yīng)使大量電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶所引起的擊穿，又稱齊納擊穿。在反向偏壓下，結(jié)區(qū)的能帶斜率增大，使得p區(qū)的價帶頂高于n區(qū)的導(dǎo)帶底。p區(qū)的價帶頂?shù)碾娮涌赡芡ㄟ^隧道效應(yīng)躍遷到導(dǎo)帶底，出現(xiàn)隧道電流。隧道長度為能帶傾斜由電勢能的改變引起：反向電場越強，隧道長度越短；隧穿幾率越大第六