pn结 半导体物理_第七

第七章PN结本章学习要点：1.了解PN结的结构及空间电荷区的概念；2.掌握零偏状态下PN结的特性，包括内建电势、内建电场以及空间电荷区宽度等；3.掌握反偏状态下PN结的空间电荷区宽度、内建电场以及PN结电容特性；4.了解非均匀掺杂PN结的特性；§7.1PN结的基本结构1.PN结的基本结构PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。2.制造PN结的方法：（1）外延方法：突变PN结；（2）扩散方法：缓变PN结；（3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；为简单起见，首先讨论突变结。理想突变结：P型区和N型区分别均匀掺杂􀂄P型区掺杂浓度为Na􀂄N型区掺杂浓度为Nd冶金结是面积足够大的平面理想突变结杂质浓度曲线3.PN结空间电荷区的形成两种材料接触形成PN结时，冶金结两侧将出现载流子密度差，形成可动载流子的扩散流：􀂄*电子离开N型区向P型区扩散，在N型区留下带正电荷的施主离子。􀂄*空穴离开P型区向N型区扩散，在P型区留下带负电荷的受主离子。离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷，该区域即为空间电荷区。空间电荷区:半导体带电的区域。空间电荷区也称为势垒区；过渡区；耗尽区；空间电荷区将形成内建电场。内建电场引起载流子的漂移运动，漂移运动与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态。空间电荷区及内建电场的形成过程示意图达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流平衡PN结的特点：势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。整个pn结具有统一的费米能级。能带弯曲－－势垒高度。达到平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级§7.2零偏状态下的PN结零偏状态:V外=01.内建电势差由PN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，PN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差。从能量的角度来看，在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向P型区扩散，该内建势垒的高度即为内建电势差，用Vbi表示。内建势垒的高度：影响势垒高度的因素：掺杂浓度；温度；2、电场强度耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离。右图所示为突变结的体电荷密度分布。结论：1）E≤0；2）电场强度为直线分布3）电场强度最大值在x=0处；结论：1）E≤0；2）电场强度为直线分布3）电场强度最大值在x=0处；最大电场强度由PN结界面处电场连续可得：结论：在PN结界面两侧，N型区中单位面积的正电荷与P型区中点位面积的负电荷相等。在PN结界面处电场达到最大，最大电场为：内建电势：将内建电场对空间电荷区进行积分，即可求得空间电荷区中的电势分布。在P型区一侧有：设置电势零点为：由此可得：P型区中一侧空间电荷区中的电势分布为：PN结空间电荷中电势分布：电子的电势能可表示为：可见，电子的电势能与电势的变化类似。w3空间电荷区的宽度将带入PN结内建势垒公式：影响空间电荷区宽度的因素：掺杂浓度：主要取决于低掺杂区的浓度；温度；§7.3反偏状态下的PN结当在PN结的两边外加一个电压时，此时整个PN结就不再处于热平衡状态，因此整个PN结系统中也就不再具有统一的费米能级。反向偏置:PN结的N型区相对于P型区外加一个正电压VR。外加反偏电压VR时的PN结的能带图外加电场存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。此时，PN结上总的势垒高度增大为：1.空间电荷区宽度与PN结中的电场当PN结两侧外加反向偏压VR时，PN结内部空间电荷区中的电场增强，因此PN结界面两侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。利用前面推导出的空间电荷区宽度公式，只需将公式中的PN结内建势垒代换为反偏PN结上总的势垒高度，即：结论：PN结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压VR的增大而不断增大。同样，空间电荷区在PN结两侧的扩展宽度也可以分别求得，其中在N型区一侧的扩展宽度为：当PN结外加的反向偏压改变时，PN结中耗尽区的宽度发生变化，因此PN结两侧耗尽区中的电荷也会随之而发生改变，这种充放电作用就是PN结的电容效应。2.PN结的势垒电容根据电容的定义，单位面积PN结的电容为：上式为PN结势垒电容，也称为耗尽层电容。将耗尽区宽度此式与单位面积的平行板电容公式完全相同。注意:PN结电容中的耗尽区宽度随着反偏电压的改变而不断变化，因此电容也是随着反向偏置电压的改变而不断变化的。带入上式得：小结：PN结反偏时形成的突变结势垒电容等效为平行板电容器的电容。影响势垒电容大小的因素：掺杂浓度：掺杂浓度增加，势垒电容增加；单边突变结，决定于低掺杂区浓度。偏置电压：反偏电压变大，势垒电容减小。3.单边突变PN结如果PN结两侧的掺杂浓度相差很大，通常称之为单边突变PN结。如果P型区的掺杂浓度远远大于N型区的掺杂浓度，即NaNd，称之为P＋N。可见，PN结电容倒数的平方与反偏电压VR成线性关系。结论：利用此线性关系，可外推求出PN结的内建电势差。可以通过直线的斜率求出PN结低掺杂一侧的掺杂浓度。§7.4非均匀掺杂的PN结至此，所讨论的PN结两侧都是均匀掺杂的半导体材料，但是实际的情况并非完全如此，另外在某些特殊的应用场合，也需要一些特别设计的非均匀掺杂PN结。1.线性缓变PN结通过扩散方法制造的PN结，杂质浓度分布近似为线性分布，这种PN结称为线形缓变PN结。N型掺杂浓度与P型掺杂浓度相等之处，即为PN结界面的位置，也就是冶金结的位置。P区为非均匀掺杂的PN结的杂质浓度分布:理想线形缓变结：杂质分布：N（x)=Nd-Na=ax结论：在线性缓变PN结的空间电荷区中，电场强度是距离的二次函数关系，而不再是均匀掺杂PN结空间电荷区中电场强度随空间位置的线性变化关系。最大电场强度仍然位于冶金结界面处，空间电荷区之外电场强度也仍然为零。电场强度与距离的关系2.超陡峭的PN结对于单边突变P＋N结，考虑更一般的情况，即当x0时，N型区的掺杂浓度可表示为：N=Bxm当m=0时，即为均匀掺杂的情形；当m=1时，即为线性缓变PN结的情形；当m为负值时，即为所谓的超陡峭掺杂的PN结。采用类似的分析方法，可以求得超陡峭掺杂PN结单位面积的耗尽区电容为：PN结小结1、PN结P型区和N型区为同一块半导体单晶材料；2、空间电荷区：PN结中带电的区域，空间电荷区中大多数载流子已经耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽区。耗尽区之外，中性区。3、内建电场：内建电场位于空间电荷区，最大值在x=0处，耗尽区之外，内建电场为零。内建电场同时也会引起内建电势差，使得能带发生弯曲。4、零偏时，PN结中没有净的电流，因此整个PN结中各处的费米能级保持恒定。5、反偏PN结PN结加反向置电压VR时，PN结空间电荷区中电场增强，PN结势垒增大，PN结两侧耗尽区进一步展宽。反偏PN结呈现出电容特性，一般称之为PN结势垒电容。突变结本章作业题7.17.167.187.32