2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：半導(dǎo)體整流現(xiàn)象

半導(dǎo)體整流現(xiàn)象

非平衡狀態(tài)下的P－N結(jié)

平衡P－N結(jié)中，存在著具有一定寬度和勢(shì)壘高度的勢(shì)壘區(qū)，其中相應(yīng)地出現(xiàn)自建電場(chǎng)；每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流互相抵消，P－N結(jié)中凈電流為零。P－N結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處處相等。半導(dǎo)體整流現(xiàn)象

當(dāng)P－N結(jié)兩端有外加電壓時(shí)，P－N結(jié)處于非平衡狀態(tài)，勢(shì)壘區(qū)及費(fèi)米能級(jí)都相應(yīng)發(fā)生變化。

由此可見(jiàn)，勢(shì)壘區(qū)中，價(jià)帶空穴濃度僅為P區(qū)多數(shù)載流子的10－10倍，而該處的導(dǎo)帶電子濃度僅為N區(qū)多數(shù)載流子的1/50。一般情況下，室溫附近，對(duì)于絕大部分勢(shì)壘區(qū)，其中雜質(zhì)雖然都已電離，但載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小得多，好像已經(jīng)耗盡了，所以通常也稱勢(shì)壘區(qū)為耗盡層。即認(rèn)為其中載流子濃度很小，可以忽略，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度。正向偏壓P－N結(jié)勢(shì)壘的變化

勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱，勢(shì)壘高度下降，載流子擴(kuò)散與漂移之間的平衡被破壞，擴(kuò)散流大于漂移流，產(chǎn)生了：電子由N區(qū)越過(guò)勢(shì)壘向P區(qū)的凈擴(kuò)散流，空穴由P區(qū)越過(guò)勢(shì)壘向N區(qū)的凈擴(kuò)散流，形成非平衡載流子的電注入。這些擴(kuò)散流形成了沿外加電場(chǎng)方向的凈電流，且隨著正偏壓增加快速增加（e指數(shù)增大）。

1)

外加電壓下，P－N結(jié)勢(shì)壘區(qū)的變化及載流子的運(yùn)動(dòng)：

加正向偏壓V(P區(qū)正，N區(qū)負(fù))，由于勢(shì)壘區(qū)的載流子濃度、電阻與P區(qū)、N區(qū)體內(nèi)的相差很大，電壓基本落在勢(shì)壘區(qū)，產(chǎn)生了與自建電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度減小，這意味著勢(shì)壘區(qū)空間電荷減少，勢(shì)壘區(qū)寬度減小，同時(shí)勢(shì)壘高度由eV0降低到e(V0-V)。P－N結(jié)伏安特性P－N結(jié)伏安特性反向偏壓P－N結(jié)勢(shì)壘的變化

勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘高度升高,載流子擴(kuò)散與漂移之間的平衡被破壞，漂移流大于擴(kuò)散流。這時(shí)，N區(qū)邊界處的空穴和P區(qū)邊界處的電子分別被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向P區(qū)和N區(qū)，這些漂移流形成了沿外加電場(chǎng)方向的凈電流。由于少子濃度低，而擴(kuò)散長(zhǎng)度基本不變化，所以反向偏壓時(shí)少子濃度梯度也較小，基本不隨反向偏壓變化，因此反向偏壓下，P－N結(jié)的電流較小并且趨于不變(反向飽和)。

1)

外加電壓下，P－N結(jié)勢(shì)壘區(qū)的變化及載流子的運(yùn)動(dòng)：

加反向偏壓V(P區(qū)負(fù)，N區(qū)正)，產(chǎn)生了與自建電場(chǎng)相同方向的外加電場(chǎng)，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，這意味著勢(shì)壘區(qū)空間電荷增加，勢(shì)壘區(qū)寬度增大，同時(shí)勢(shì)壘高度由eV0升高到e(V0＋V)。因此，P－N結(jié)具有非線性伏安特性，即具有整流特性。因?yàn)閿U(kuò)散區(qū)比勢(shì)壘區(qū)大，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的變化主要發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)，在勢(shì)壘區(qū)中的變化則忽略不計(jì)，所以在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)保持不變。

2)

外加直流電壓下，P－N結(jié)的能帶圖：

加偏壓V，P－N結(jié)的N區(qū)和P區(qū)都有非平衡載流子的注入，在非平衡載流子存在的區(qū)域，必須用電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFN和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFP取代平衡時(shí)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)EF。正向偏壓P－N結(jié)的費(fèi)米能級(jí)V>0,在空穴擴(kuò)散區(qū)，電子濃度高，故電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFN的變化很小，可看作不變；但空穴濃度很小，故空穴的擴(kuò)散引起準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFP的變化很大。在電子擴(kuò)散區(qū)，可作類似分析?？昭〝U(kuò)散區(qū)

2)

外加直流電壓下，P－N結(jié)的能帶圖：

加反偏壓V，在電子擴(kuò)散區(qū)、勢(shì)壘區(qū)、空穴擴(kuò)散區(qū)中，電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFN和EFP的的變化規(guī)律與正向偏壓時(shí)基本相似，所不同的是EFN和EFP的相對(duì)位置發(fā)生變化。反向偏壓P－N結(jié)的費(fèi)米能級(jí)V<0,電子擴(kuò)散區(qū)電子被抽走P－N結(jié)的形成和雜質(zhì)分布：

在一塊N型(或P型)半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ò裀型(或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型導(dǎo)電類型，在區(qū)域交界處形成P－N結(jié)。工藝方法：1）合金法：雜質(zhì)分布為突變結(jié)合金法制造p-n結(jié)過(guò)程2）擴(kuò)散法：擴(kuò)散法制造p-n結(jié)過(guò)程雜質(zhì)分布為緩變結(jié)3）離子注入法：(Ionimplantation)，雜質(zhì)分布為突變結(jié)易造成晶格損傷，需用退