4-p-n结

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结1p-n结2004,7,30现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结2本章内容热平衡状态下的p-n结耗尽区耗尽层势垒电容电流-电压特性电荷储存与暂态响应结击穿异质结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结3p-n结(junction)：由p型半导体和n型半导体接触形成的结．p-n结最重要的特性是整流性，即只容许电流流经单一方向。右图为一典型硅p-n结的电流-电压的特性．当对p-n结施以正向偏压(p端为正)时，随着电压的增加电流会快速增加．然而，当施以反向偏压时，随反向偏压的增加几乎没有任何电流，电流变化很小，直到一临界电压后电流才突然增加．这种电流突然增加的现象称为结击穿(junctionbreakdown)．外加的正向电压通常小于1V，但是反向临界电压或击穿电压可以从几伏变化到几千伏，视掺杂浓度和其他器件参数而定．012341212345671234BV反向击穿正向导通V/VmA/I012341212345671234BV反向击穿正向导通V/VmA/I热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结4p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘．p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。能带图(banddiagram)：(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移CEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结5当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧．(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移CEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移当空穴持续离开p侧，在结附近的部分负受主离子NA－未能够受到补偿，此乃因受主被固定在半导体晶格，而空穴则可移动．类似地，在结附近的部分正施主离子ND+在电子离开n侧时未能得到补偿．因此，负空间电荷在接近结p侧形成，而正空间电荷在接近结n侧形成．此空间电荷区域产生了一电场，其方向是由正空间电荷指向负空间电荷，如图上半部所示．热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结6对个别的带电载流子而言，电场的方向和扩散电流的方向相反．图下方显示，空穴扩散电流由左至右流动，而空穴漂移电流因为电场的关系由右至左移动．电子扩散电流由右至左流动，而电子漂移电流移动的方向刚好相反．应注意由于带负电之故，电子由右至左扩散，恰与电流方向相反．(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移(a)形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移CEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结7平衡费米能级(equilibriumFermilevels)：在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即dxdpqDpEqJJJppppp（扩散）（漂移）0)1(dxdpkTdxdEqpqpip由空穴浓度的关系式和其导数其中对电场用了和爱因斯坦关系式dxdEqdxdEqEiC11ppqkTD)exp(kTEEnpFii)(dxdEdxdEkTpdxdpFi热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结8将上式，即得到净空穴电流密度为dxdpqDpEqJJJppppp（扩散）（漂移）0)1(dxdpkTdxdEqpqpip0dxdEpJFpp或0dxdEF同理可得净电子电流密度为0dxdEndxdnqDpEqJJJFnnnppp（扩散）（漂移）因此，对净电子和空穴电流密度为零的情况，整个样品上的费米能级必须是常数(亦即与x无关)，如前图所示的能带图。)(dxdEdxdEkTpdxdpFi代入下式，即热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结9内建电势(built-inprotential)Vbi：在热平衡下，定值费米能级导致在结处形成特殊的空间电荷分布．对图(a)及(b)表示的一维p-n结和对应的热平衡能带图,空间电荷分布和静电电势的特定关系可由泊松方程式(Poisson’sequation)得到，)(22npNNqdxdEdxdADssspn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结pn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结pn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结pn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx这里假设所有的施主和受主皆已电离在远离冶金结(metallurgicaljunction)的区域，电荷保持中性，且总空间电荷密度为零．对这些中性区域，上式可简化为022dxd即0npNNAD热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结10对于p型中性区，假设ND=0和pn。p型中性区相对于费米能级的静电电势，在图中标示为ψp，可以由设定ND=n=0及将结果p=NA代入式)exp(kTEEnpFii由于得到)ln()(1iAxxFipnNqkTEEqppn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnxpn冶金结pn冶金结（a）冶金结中突变掺杂的p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（b）在热平衡下突变结的能带图（c）空间电荷分布（d）空间电荷的长方形近似图4.50耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－0耗尽区型中性区p型中性区n过渡区过渡区所造成的电荷密度未补偿的杂质离子ADNN－x型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx型中性区p型中性区nADNN－0耗尽区xpxnx0npNNAD热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结11在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi)ln(2iDApnbinNNqkTV同理，可得n型中性区相对于费米能级的静电势为)ln()(1iDxxFinnNqkTEEqn由上二式可计算出在不同掺杂浓度时，硅和砷化镓的和ψn值的大小，如图所示．对于一给定掺杂的浓度，因为砷化镓有较小的本征浓度，其静电势较高．p4.002.06.08.0SiGaAsK300141015101610171018103DAcm/NN或图3.6硅和砷化镓的p端和n端突变结的内建电势和杂质浓度的关系V/n或p热平衡状态下的p-n结现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学p-n结12由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域，进