半導(dǎo)體物理第六章 PN結(jié)

1、半導(dǎo)體物理第六章PN結(jié)一組制作什么是PN結(jié)？ 在一塊n型（或者p型）半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎê辖鸱?、擴散法、生長法、離子注入法等）把p型（或者n型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在兩者的交界面處所形成的空間電荷區(qū)就是pn結(jié)。而空間電荷區(qū)之外的部分與獨立的摻雜半導(dǎo)體性質(zhì)相同，不屬于PN結(jié)區(qū)域。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)的任何區(qū)域滿足n0p0=ni2。區(qū)、N區(qū)和N結(jié)內(nèi)具有統(tǒng)一的費米能級。PN結(jié)的典型工藝方法（1）：高溫熔融的鋁冷卻后，高溫熔融的鋁冷卻后，n型硅片上形成高濃型硅片上形成高濃度度Al的的p型型Si薄層。它與薄層。它與n型硅襯底

2、的交界型硅襯底的交界面處就是面處就是PN結(jié)（這時稱為鋁硅合金結(jié)）。結(jié)（這時稱為鋁硅合金結(jié)）。P型區(qū)中施主型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度NA,均勻分步均勻分步; n型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度ND,均勻分布均勻分布;特點：交界面雜質(zhì)濃度發(fā)生突變。特點：交界面雜質(zhì)濃度發(fā)生突變。突變結(jié)突變結(jié)突變結(jié)：雜質(zhì)濃度由NA突變到ND,具有這種雜質(zhì)分布的pn結(jié)稱為突變結(jié)。上圖所示，pn結(jié)位置在x=Xj，則突變結(jié)雜質(zhì)分布： xXj,N(x)=Nd 實際上，兩邊雜質(zhì)相差很多，例如n區(qū)雜質(zhì)濃度為1016cm-3，p區(qū)為1019cm-3.通常成這種突變結(jié)為單邊突變結(jié)（這里是P+n結(jié)）。雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度從從p區(qū)到區(qū)到

3、n區(qū)逐漸區(qū)逐漸變化，稱為變化，稱為緩緩變結(jié)變結(jié)。在擴散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用在擴散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用x=Xj處的切線近似表示，則稱為處的切線近似表示，則稱為線線性緩變結(jié)性緩變結(jié)，雜質(zhì)分布表示為：，雜質(zhì)分布表示為：PN結(jié)的典型工藝方法（2）：在在n型單晶型單晶硅片上擴散硅片上擴散受主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，形成形成pn結(jié)。結(jié)。雜質(zhì)分布：xNdxXj,NaNd擴散結(jié)擴散結(jié)為Xj處斜率，稱為雜質(zhì)濃度梯度。決定于擴散雜質(zhì)的實際分布，可以用實驗方法測定。但是對于高表面濃度的淺擴散結(jié)，Xj處斜率很大，這時擴散結(jié)用突變結(jié)來近似。PN結(jié)的形成機理（1）： 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴

4、幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。 由于自由電子和空穴存在濃度差，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。 這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的寬度和摻雜物濃度有關(guān)空間電荷區(qū)的寬度和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場。內(nèi)電場方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。

5、顯然，內(nèi)電場內(nèi)電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止多子擴阻止多子擴散散。并且，內(nèi)電場在P、N交界處最強。內(nèi)電場作用促進少子的內(nèi)電場作用促進少子的漂移運動漂移運動，使N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場減弱。因此，漂移運動的結(jié)果是使空間漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強電荷區(qū)變窄，擴散運動加強。最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄

6、層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，由于基本上沒有自由載流子，所以也稱耗盡層也稱耗盡層。P、n兩側(cè)空間電荷總數(shù)相同，對外保持整體的電中性。PN結(jié)的形成機理（2）：兩個半導(dǎo)體結(jié)合成兩個半導(dǎo)體結(jié)合成pn結(jié)時，電子結(jié)時，電子從費米能級從費米能級高高的的n區(qū)流向費米能區(qū)流向費米能級級低低的的p區(qū)區(qū)，空穴，空穴從從p區(qū)流區(qū)流到到n區(qū)區(qū)。EFn不斷下不斷下移（事實上，費米移（事實上，費米能級是隨著能級是隨著n區(qū)能帶下移），區(qū)能帶下移），EFp不斷上移不斷上移,直到直到EFn=Efp。這時這時PN結(jié)具有有結(jié)具有有統(tǒng)一費米能級統(tǒng)一費米能級Ef，

7、PN結(jié)處于結(jié)處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)PN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖PN結(jié)結(jié)費米能級處處相等費米能級處處相等標志標志PN結(jié)結(jié)達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡，無擴散、漂移電流流過。無擴散、漂移電流流過。能帶相對移動的原因是能帶相對移動的原因是pn結(jié)空間結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。隨內(nèi)建電場隨內(nèi)建電場(n p)不斷增大，不斷增大，V(x)不斷降低，電子電勢能不斷降低，電子電勢能-q V(x)由由n到到p不斷升高，所以不斷升高，所以P區(qū)能帶整區(qū)能帶整體相對體相對n區(qū)上區(qū)上移，移，n區(qū)能帶整體相區(qū)能帶整體相對對p區(qū)下區(qū)下移，直到移，直到具有統(tǒng)一具有統(tǒng)一費米費米能級，能帶相對移動停止。能級，

8、能帶相對移動停止。動態(tài)平衡時動態(tài)平衡時本征費米能級Ei的變化與電子的電勢能-qV(x)的變化一致，所以：PN結(jié)接觸電勢差如圖所示，在PN結(jié)的空間電荷區(qū)中，能帶發(fā)生彎曲，這是空間電荷區(qū)中電勢能變化的結(jié)果。因為能帶彎曲，電子從勢能低的n區(qū)向勢能高的p區(qū)運動時，必須克服這一勢能“高坡”，才能到達p區(qū)，這一勢能“高坡”通常稱為PN結(jié)的勢壘，故空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。圖中可知，勢壘高度正好補償了n區(qū)和p區(qū)費米能級之差，使平衡pn結(jié)的費米能級處處相等，因此有：qVD=EFn-EFp。nn0、np0分別為平衡時n、p區(qū)的電子濃度對于非簡并半導(dǎo)體可得：)exp(00TkEEnniFnin)exp(00TkEEn

9、niFpip兩式相除取對數(shù)可得：)(1ln000FpFnpnEETknnAipDnNnnNn200,因為)(ln)(1000pnFpFnDnnqTkEEqV接觸電勢差：平衡平衡時的時的pn結(jié)，取結(jié)，取p區(qū)電勢為零區(qū)電勢為零，則勢壘區(qū)中一點則勢壘區(qū)中一點x的電勢的電勢V(x)正值，正值， x點的電勢能為點的電勢能為E(x)=-qV(x)對非簡并材料，對非簡并材料， x點的電子濃度點的電子濃度n(x)，應(yīng)用第三章計算平衡時導(dǎo)，應(yīng)用第三章計算平衡時導(dǎo)帶載流子濃度計算方法帶載流子濃度計算方法 PN結(jié)的載流子分布：)exp(）2m（20230*3TkEETkxF因為因為E(x)=-qV(x)DcncnF

10、cnqVETkEENn),exp(00)exp(00TkEEnnxcnnx當(dāng)當(dāng) X=-Xp時，時，V(x)=0,n(-xp)=np0 )exp()(000TkqVnnxnDnppn(-xp)P區(qū)的少數(shù)載流子濃度。區(qū)的少數(shù)載流子濃度。)(exp(00TkqVxqVnDn同理，同理，X點空穴濃度為，點空穴濃度為， )(exp(00TkxqVqVppDnxpn0是平衡時是平衡時n區(qū)的少子濃度區(qū)的少子濃度當(dāng)當(dāng) X=Xn時，時，V(x)=VD,p(xn)=pn0 當(dāng)當(dāng) X=-Xp時，時，V(x)=0,p(-xp)=pp0 )exp()(000TkqVppxpDnpp)exp(000TkqVppDpn)e

11、xp(p0FVV0pTkEEN)(exp(）x（00TkxqVqVppDn)(exp(）x（n00TkqVxqVnDnX處電子濃度：X處空穴濃度：平衡半導(dǎo)體中pn結(jié)中載流子分布勢壘區(qū)載流子濃度的估計：)(exp()exp(0000TkqVxqVnTkEEnnDnxcnnx如設(shè)勢壘高度為0.7eV，則該處空穴濃度為：)）x（exp()(exp(0000TkqVpTkxqVqVpppDnx由上述數(shù)據(jù)可以看出，對于絕大多數(shù)勢壘區(qū)，其中雜質(zhì)雖然的都已電離，但是載流子濃度想對于n區(qū)和p區(qū)的多子濃度小得多，好像已經(jīng)耗盡了。所以通常稱勢壘區(qū)為耗盡層，即認為其中載流子濃度很小，可以忽略不計，所以，空間電荷密度

12、就等于電離雜質(zhì)密度。pn結(jié)的單向?qū)щ娦?平衡pn結(jié)中，每一種載流子的擴散電流和漂移電流相抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)，想應(yīng)的在pn結(jié)中費米能級處處相等。 如果在pn結(jié)兩端外加電壓，就會破壞原來的平衡狀態(tài)，此時，擴散電流和漂移電流不再相等，因而pn結(jié)中將有電流通過。當(dāng)外加電壓極性不同時，pn結(jié)將表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電特性，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。外加正向電壓下，pn結(jié)勢壘變化和載流子運動：正向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)電場方向相反的電場，將多子推向勢壘區(qū)，使其寬度減小，削弱了勢壘區(qū)的電場強度，破壞了原來的平衡，使擴散運動加劇，漂移運動減弱。勢壘區(qū)：載流子濃度很小，電阻很大；勢壘外：載流子濃度很大，電阻很小，

13、所以外加電壓主要降在勢壘區(qū)。勢壘高度從qVD降到q（VD-V)。加正向偏壓時，電子擴散n p，空穴擴散p n；電子通過勢壘區(qū)在邊界PP處積累，PP處電子濃度大于P區(qū)電子濃度，形成向P區(qū)的電子擴散流。 （空穴一樣）非平衡少子在擴散過程中，不斷與多子復(fù)合，直到復(fù)合完畢，這段區(qū)域稱為擴散區(qū)域。在正向偏壓一定時，單位時間從n區(qū)擴散到PP處的非平衡少子濃度是一定的，并在擴散區(qū)形成穩(wěn)定的分布，因此非平衡少子擴散流不變。增大正向偏壓時，勢壘降得更低，增大了流入p區(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流。通過pn結(jié)的總電流=通過邊界PP的電子擴散電流+通過邊界nn的空穴擴散電流非平衡載流子的電注入非平衡載流子的電注入：正

14、向偏壓使非平衡載流子：正向偏壓使非平衡載流子進入半導(dǎo)體的過程。進入半導(dǎo)體的過程。正向偏壓下正向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖在正向偏壓下在正向偏壓下，p、n區(qū)均有非平衡少子注入，必須用區(qū)均有非平衡少子注入，必須用準費米能級準費米能級EFn、EFp代替平衡時的統(tǒng)一費米能級代替平衡時的統(tǒng)一費米能級能帶特征：能帶特征：1.EFp 在在p區(qū)及勢壘區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在空區(qū)為水平線，在空穴擴散區(qū)穴擴散區(qū)(nn到到Lp區(qū)區(qū))為為斜線斜線；2. EFn 在在n區(qū)及勢壘區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在電區(qū)為水平線，在電子擴散區(qū)子擴散區(qū)(pp到到Ln區(qū)區(qū))為為斜線斜線；EFp 、Efn在擴散區(qū)為斜線的原因：在擴散區(qū)為斜線的原因：由于復(fù)由于復(fù)合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸減小減小正向偏壓下的特征：正向偏壓下的特征：1.P、n區(qū)具有各自的費區(qū)具有各自的費米能級米能級Efn、Efp；2. 有凈電流流過有凈電流流過pn結(jié)；結(jié)；3. 正向偏壓下，勢壘降正向偏壓下，勢壘降低低qV;4.qV=Efn-Efp；5.Efn位置高于位置高于 EFP外加反向電壓下，pn結(jié)勢壘變化和載流子運動：反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場一致，勢壘區(qū)的電場增強，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度從qVD降到q（VD+V)。外電場使空間電荷區(qū)加寬，加強了內(nèi)電場，阻止多子擴散運動，加劇少子漂移運動，使漂