第一章 半导体物理基础 (二).

11.2.5半导体的结2P区NAN区ND半导体的结-PN结PN结是构成各种半导体器件的基本单元。PN结中的载流子既有漂移运动，又有扩散运动；既有产生，又有复合，这些性质集中反映在半导体的导电特性中。3PNPN结1、PN结的形成在同一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域分别具有N型区和P型区的导电类型，在二者交界面以及交界面两侧的过渡区即称为PN结。4PN结类型按材料分为同质结，和异质结按导电类型分为同型结和异型结按杂质的分布分为突变结和线性缓变结5工艺方法合金法扩散法生长法离子注入法光刻工艺(硅平面工艺）2、PN结的形成过程6合金法制造PN结过程熔融P-SiAlN-Si在一块N型硅片上放置一铝箔，铝箔上加一石墨压块，并置于600℃以上的烧结炉中恒温处理5分钟，然后缓慢降温经这样的处理后的硅片的上表面就形成可很薄的一层P型再结晶层，PN结形成了。突变结P区与N区的交界面处的杂质浓度分布是突变的，此法称为合金结，又称突变结。7P区N区x杂质浓度xjNANDP区与N区的杂质浓度都是分布均匀的N型区施主杂质浓度为NDP型区受主杂质浓度为NA在交界面处x=0，杂质浓度由P型突变为N型突变结8单边突变结：当一侧的浓度远大于另一侧时N＋P结：NDNAN0≈NAP＋N结：NANDN0≈ND突变结ADNNDNANx09P-SiN-Si扩散法制造PN结过程缓变结NPx杂质浓度xjND-NA在一块N型硅片上用化学方法涂敷一层含有Al2O3的乙醇溶液，在红外线灯下干燥后，置于1250℃的扩散炉中进行高温处理若干小时，然后缓慢降温。PN结两边的杂质浓度是非均匀的常按照一定的函数规律而变化。DAjjNNaxx10实际PN结近似缓变PN结附近杂质浓度有两种近似处理方法A、线性缓变结近似B、突变结近似NPx杂质浓度xjND-NA112.1.1PN结空间电荷区2.1.2电场分布于电势分布2.1热平衡PN结12平衡PN结：指半导体在零偏压条件下的PN结。PN结内温度均匀、稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用平衡状态。2.1.1PN结空间电荷区13◎平衡PN结能带图平衡PN结有统一的费密能级EF14空间电荷：带正电的电离施主和带负电荷的电离受主都是固定在晶格点上不可移动，称之为空间电荷。空间电荷区：空间电荷所在的区域。空间电荷区的形成空间电荷不能移动，也不能传导电流。15内建电场E内：空间电荷所产生的电场，此电场不是由外部因素引起的，而是由PN结内部载流子运动形成的，由N区指向P区。PN结的内建电势(接触电势)由内建电场所导致的N区和P区的电位差。一、空间电荷区的形成016:接触电势差（内建电势）空间电荷区又称势垒区耗尽层平衡PN结能带图2.1.1平衡PN结能带图0PN空间电荷区内建电场PNxpxn位电q电子的电势能带能qVDECEVEFEi带能ECEVEFNEiEFP00171、中性区：远离空间电荷区P型和N型区多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域称为“中性区”。2、边界层：既存在失去电子的空穴的杂质电离中心，又存在一些自由载流子，电荷分布很复杂，可以推得边界层的宽度远小于空间电荷区的宽度，通常可以忽略3、耗尽区：在空间电荷区，杂质电离中心浓度较大，远大于自由载流子浓度，相当于载流子浓度被耗尽，所以该区域称为耗尽区或者耗尽层。PN结分为三部分：2.1.2电场分布与电势分布18一个平衡PN结中，空间电荷区以外的区域都是电中性的。P区一侧的中性区称为P型中性区；N区一侧的中性区称为N型中性区。NP空间电荷区XMXNXP1902lnADiNNkTqnNA：P区受主掺杂浓度ND：N区施主掺杂浓度ni：本征载流子浓度0.026300kTVTKq扩散电势差PN结的势垒高度与两边的掺杂浓度有关。掺杂浓度越高，势垒高度越大。从能带图可以看出：N区掺杂浓度越高，N型区费米能级(EF)n越靠近导带底P区掺杂浓度越高，P型区费米能级(EF)p越靠近价带顶PN结势垒高度qVD也越大。0202、耗尽区耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。PN空间电荷区内建电场PNxpxn位电q电子的电势能带能qVDECEVEFEi带能ECEVEFNEiEFP0021设P型和N型侧的耗尽层宽度分别为xp和xn,整个空间电荷层宽度表示为W=xn+xp耗尽层宽度与扩散电势差有关，具体的计算分情况讨论（了解）空间电荷区的自建电场强度是非均匀电场，电场强度是x的函数对于P+N突变结222.2加偏压的PN结2.2.1PN结的单向导电性2.2.2少数载流子的注入与输运23非平衡PN结处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结当PN结两端加正向偏压VF，即P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向PN结。PN－＋－＋－＋正向PN结＋－PN－－＋＋－－＋＋－－＋＋反向PN结－＋反之，当PN结两端加反向偏压VR则称反向PN结。2.2.1PN结的单向导电性24正向电压VF外加电场与内建电场方向相反空间电荷区中的电场减弱势垒区宽度变窄势垒高度变低qVD↓q(VD－VF)破坏扩散与漂移运动间的平衡扩散运动强于漂移运动形成较大的电流，正向偏压给PN结形成了低阻的电流通路0025PN结的反向特性反向PN结P区接负，N区接正外加电场与内建电场方向相同空间电荷区中的电场增强反向电压使：势垒区宽度变宽势垒高度变高qVD↑q(VD+VR)破坏扩散漂移运动平衡漂移运动强于扩散运动通过PN结的电流很小0026P区N区jpjnLnLp为什么PN结具有正向导通反向截止的特性PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。P区N区+