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上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理●——本章重点P-N结的能带图平衡P-N结的特点P-N结的直流特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理P-N结采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这种P型和N型区之间的冶金学界面称为P-N结。双极型及MOS型半导体器件是由一个或几个P-N结组成的，P-N结是很多半导体器件的心脏，所以研究P-N结的交、直流特性，是搞清器件机理的基础。2.1P-N结及其能带图P-N结的形成在一块N型(或P型)半导体单晶上，用适当的工艺（如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在两者的交界面处就形成了P-N结。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理制作方法合金法把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在N型硅片上形成一含有高浓度铝的P型硅薄层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N结（称之为铝硅合金结）。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理扩散法在N型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得P-N结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。如图所示在N型硅单晶上，生长一层SiO2，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入N型硅单晶中，形成P-N结（亦称之为扩散结）。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结合金结的杂质分布如图所示，N型区中施主杂质浓度为ND，而且是均匀分布的，P型区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布的。在交界面处，杂质浓度从NA（P型区中）突变为ND（N型区中），故称之为突变结。设P-N结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可表示为上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理实际的突变结，两边的杂质浓度相差很大。例如N区的施主杂质浓度为1016cm-3，而P区的受主杂质浓度为1019cm-3。如图所示的杂质分布可近似为突变结。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理缓变结由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理如果杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称之为线性缓变结，如图所示。此时，线性缓变结的杂质分布可表示为αj是x=xj处切线的斜率，称之为杂质浓度梯度，决定于扩散杂质的实际分布，可以用实验方法测得。但对于高表面浓度的浅扩散结，xj处的斜率αj非常大，这时扩散结可用突变结来近似。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结，而低表面浓度的深扩散结一般可认为是线性缓变结。综上所述上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理P-N结能带图扩散当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。空间电荷/空间电荷区对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区；同理，在P-N结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区（也称之为势垒区）上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理内建电场空间电荷区中的这些电荷产生了从N区指向P区，即从正电荷指向负电荷的电场，称之为内建电场（自建电场）。漂移在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动逐渐加强，在没有外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡，即从N区向P区扩散过去多少电子，同时就有同样多的电子在内建电场作用下返回N区。因而电子的扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反，从而相互抵消。对于空穴，情况完全相似。因此没有净电流流过P-N结，即净电流为零。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展，保持一定的宽度，同时存在一定的内建电场。一般在这种情况下的P-N结称为热平衡状态下的P-N结（简称平衡P-N结）。2.2平衡P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理平衡P-N结的能带图N型、P型半导体的能带图，图中EFn和EFp分别表示N型和P型半导体的费米能级。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp。这时，P-N结中有统一的费米能级EF，P-N结处于平衡状态，其能带图如图所示。能带相对移动的原因是P-N结空间电荷区中存在内建电场的结果。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理P-N结的载流子分布计算平衡P-N结中各处的载流子浓度时，取P区电势为零，则势垒区中一点x的电势V(x)为正值，越接近N区的点，其电势越高，到势垒区边界xn处的N区电势最高为VD，如图所示。图中xn，-xp分别为N区和P区势垒区边界。对电子而言，相应的P区的电势能为0，比N区的电势能E(xn)=Ecn=-qVD高qVD。势垒区内点x处的电势能为E(x)=-qV(x)，比N区高qVD-qV(x)。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理nn0N区平衡多数载流子——电子浓度np0P区平衡少数载流子——电子浓度pn0N区平衡少数载流子——空穴浓度pp0P区平衡多数载流子——空穴浓度上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理平衡P-N势垒区电子和空穴的浓度分布上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当x=-xp时，V(x)=0，n(-xp)=np0当x=-xp时，V(x)=0，p(-xp)=pp0同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理耗尽层室温附近，对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理势垒区和接触电势差从图中可以看出，在P-N结的空间电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能达到P区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从P区到达N区。这一势能“高坡”通常称为P-N结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。从图中还可以看出P区导带和价带的能量比N区的高qVD。VD称为P-N结的接触电势差。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理在热平衡条件下求接触电势差线性缓变结突变结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理练习•简单描述P-N结制作方法和杂质分布之间的关系。•什么是空间电荷区？•什么是势垒区？•什么是耗尽层？•内建电场是如何形成的，方向如何？•试写出突变结和线性缓变结杂质分布的表达式。•试概括平衡时的P-N结有哪些特点。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结的杂质分布N区有均匀施主杂质，浓度为ND，P区有均匀受主杂质，浓度为NA。势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。同样取x=0处为交界面，如图2-10所示，上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结的电荷分布势垒区的电荷密度为整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等NAxp=NDxn上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理NAxp=NDxn表明：势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则xp比xn大100倍。所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结的电场分布在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置x的线性函数。电场方向沿x负方向，从N区指向P区。在x=0处，电场强度达到最大值上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结的电势分布电势分布是抛物线形式的上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理突变结的电势能（能带图）因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理2.3P-N结直流特性平衡P-N结非平衡P-N结一定宽度和势垒高度的势垒区；内建电场恒定；净电流为零；费米能级处处相等。当P-N结两端有外加电压时上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理外加直流电压下，P-N结势垒的变化及载流子的运动正向偏压P-N结加正向偏压V（即P区接电源正极，N区接负极）势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区。正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第二章P-N结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，削弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流。所以在加正向偏压时，产生了电子从N区向P区以及空穴从P区到N区的净扩散电流。电子通过势垒区扩散入P区，在边界xp处形成电子的积