pn結(jié) 半導(dǎo)體物理_第七

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1、第七章PN結(jié)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1.了解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及空間電荷區(qū)的概念；2.掌握零偏狀態(tài)下PN結(jié)的特性，包括內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電場(chǎng)以及空間電荷區(qū)寬度等；3.掌握反偏狀態(tài)下PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度、內(nèi)建電場(chǎng)以及PN結(jié)電容特性；4.了解非均勻摻雜PN結(jié)的特性；§7.1PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)1.PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)是由一個(gè)N型摻雜區(qū)和一個(gè)P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱(chēng)為冶金結(jié)界面。2.制造PN結(jié)的方法：（1）外延方法：突變PN結(jié)；（2）擴(kuò)散方法：緩變PN結(jié)；（3）離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間；為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，首先討論突變結(jié)。理想突變結(jié)：P型區(qū)和N型區(qū)分別均勻

2、摻雜?P型區(qū)摻雜濃度為Na?N型區(qū)摻雜濃度為Nd冶金結(jié)是面積足夠大的平面理想突變結(jié)雜質(zhì)濃度曲線(xiàn)3.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成兩種材料接觸形成PN結(jié)時(shí)，冶金結(jié)兩側(cè)將出現(xiàn)載流子密度差，形成可動(dòng)載流子的擴(kuò)散流：?*電子離開(kāi)N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，在N型區(qū)留下帶正電荷的施主離子。?*空穴離開(kāi)P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散，在P型區(qū)留下帶負(fù)電荷的受主離子。離化的雜質(zhì)中心固定不動(dòng)，出現(xiàn)凈正、負(fù)電荷，該區(qū)域即為空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū):半導(dǎo)體帶電的區(qū)域?？臻g電荷區(qū)也稱(chēng)為勢(shì)壘區(qū)；過(guò)渡區(qū)；耗盡區(qū)；空間電荷區(qū)將形成內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)引起載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，最后達(dá)到平衡狀態(tài)

3、。空間電荷區(qū)及內(nèi)建電場(chǎng)的形成過(guò)程示意圖達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，擴(kuò)散流等于漂移流平衡PN結(jié)的特點(diǎn)：?勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電子（空穴）的擴(kuò)散和漂移抵消。整個(gè)pn結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。能帶彎曲－－勢(shì)壘高度。達(dá)到平衡狀態(tài)的PN結(jié)能帶圖具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)§7.2零偏狀態(tài)下的PN結(jié)零偏狀態(tài):V外=01.內(nèi)建電勢(shì)差由PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成過(guò)程可知，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)中形成了一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)在空間電荷區(qū)中的積分就形成了一個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差。從能量的角度來(lái)看，在N型區(qū)和P型區(qū)之間建立了一個(gè)內(nèi)建勢(shì)壘，阻止電子進(jìn)一步向P型區(qū)擴(kuò)散，該內(nèi)建勢(shì)壘的高度即為內(nèi)建電勢(shì)差，用Vbi表示。內(nèi)建勢(shì)壘的

4、高度：影響勢(shì)壘高度的因素：摻雜濃度；溫度；2、電場(chǎng)強(qiáng)度耗盡區(qū)電場(chǎng)的產(chǎn)生是由于正負(fù)電荷的相互分離。右圖所示為突變結(jié)的體電荷密度分布。結(jié)論：1）E≤0；2）電場(chǎng)強(qiáng)度為直線(xiàn)分布3）電場(chǎng)強(qiáng)度最大值在x=0處；結(jié)論：1）E≤0；2）電場(chǎng)強(qiáng)度為直線(xiàn)分布3）電場(chǎng)強(qiáng)度最大值在x=0處；最大電場(chǎng)強(qiáng)度由PN結(jié)界面處電場(chǎng)連續(xù)可得：結(jié)論：在PN結(jié)界面兩側(cè)，N型區(qū)中單位面積的正電荷與P型區(qū)中點(diǎn)位面積的負(fù)電荷相等。在PN結(jié)界面處電場(chǎng)達(dá)到最大，最大電場(chǎng)為：內(nèi)建電勢(shì)：將內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)空間電荷區(qū)進(jìn)行積分，即可求得空間電荷區(qū)中的電勢(shì)分布。在P型區(qū)一側(cè)有：設(shè)置電勢(shì)零點(diǎn)為：由此可得：P型區(qū)中一側(cè)空間電荷區(qū)

5、中的電勢(shì)分布為：PN結(jié)空間電荷中電勢(shì)分布：電子的電勢(shì)能可表示為：可見(jiàn)，電子的電勢(shì)能與電勢(shì)的變化類(lèi)似。w3空間電荷區(qū)的寬度將帶入PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘公式：影響空間電荷區(qū)寬度的因素：摻雜濃度：主要取決于低摻雜區(qū)的濃度；溫度；§7.3反偏狀態(tài)下的PN結(jié)當(dāng)在PN結(jié)的兩邊外加一個(gè)電壓時(shí)，此時(shí)整個(gè)PN結(jié)就不再處于熱平衡狀態(tài)，因此整個(gè)PN結(jié)系統(tǒng)中也就不再具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。反向偏置:PN結(jié)的N型區(qū)相對(duì)于P型區(qū)外加一個(gè)正電壓VR。外加反偏電壓VR時(shí)的PN結(jié)的能帶圖外加電場(chǎng)存在將會(huì)使得能帶圖中N型區(qū)的費(fèi)米能級(jí)往下拉，下拉的幅度等于外加電壓引起的電子勢(shì)能變化量。此時(shí)，PN結(jié)上總的勢(shì)壘高

6、度增大為：1.空間電荷區(qū)寬度與PN結(jié)中的電場(chǎng)當(dāng)PN結(jié)兩側(cè)外加反向偏壓VR時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)增強(qiáng)，因此PN結(jié)界面兩側(cè)的空間電荷區(qū)寬度將會(huì)進(jìn)一步展寬。利用前面推導(dǎo)出的空間電荷區(qū)寬度公式，只需將公式中的PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘代換為反偏PN結(jié)上總的勢(shì)壘高度，即：結(jié)論：PN結(jié)中總的空間電荷區(qū)寬度隨著外加反向偏置電壓VR的增大而不斷增大。同樣，空間電荷區(qū)在PN結(jié)兩側(cè)的擴(kuò)展寬度也可以分別求得，其中在N型區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展寬度為：當(dāng)PN結(jié)外加的反向偏壓改變時(shí)，PN結(jié)中耗盡區(qū)的寬度發(fā)生變化，因此PN結(jié)兩側(cè)耗盡區(qū)中的電荷也會(huì)隨之而發(fā)生改變，這種充放電作用就是PN結(jié)的電容效應(yīng)。2.P

7、N結(jié)的勢(shì)壘電容根據(jù)電容的定義，單位面積PN結(jié)的電容為：上式為PN結(jié)勢(shì)壘電容，也稱(chēng)為耗盡層電容。將耗盡區(qū)寬度此式與單位面積的平行板電容公式完全相同。注意:PN結(jié)電容中的耗盡區(qū)寬度隨著反偏電壓的改變而不斷變化，因此電容也是隨著反向偏置電壓的改變而不斷變化的。帶入上式得：小結(jié)：PN結(jié)反偏時(shí)形成的突變結(jié)勢(shì)壘電容等效為平行板電容器的電容。影響勢(shì)壘電容大小的因素：摻雜濃度：摻雜濃度增加，勢(shì)壘電容增加；單邊突變結(jié)，決定于低摻雜區(qū)濃度。偏置電壓：反偏電壓變大，勢(shì)壘電容減小。3.單邊突變PN結(jié)如果PN結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度相差很大，通常稱(chēng)之為單邊突變PN結(jié)。如果P型區(qū)的摻雜濃度

8、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N型區(qū)的摻雜濃度