第6章pn结ppt课件

第6章pn结•热平衡态下的p-n结p-n结空间电荷层、势垒层、内建电场•非平衡态下的p-n结p-n结的直流伏安特性(整流)•pn结电容势垒电容扩散电容p型、n型半导体•掺杂•掺入(doping)V族元素，P或As(施主，Donor)形成n型(negative)半导体•p型半导体(positive)是将Ⅲ族元素(受主，Acceptor)掺入到半导体中形成SiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSibackp-n结：p型、n型半导体结合的体系将p-n结作为电子器件使用时，称为二极管：整流、检波、开关、发光、检测光等®发光二极管(LED)p-n结pn扩散区耗尽层•p-n结的种类：①合金结②生长结③扩散或离子注入结④场感应结§6.1pn结及其能带图一、pn结的形成和杂质分布1．合金法xN(x)NANDxj•用合金法制备的p-n结一般为突变结::():()jAjDxxNxNxxNxN单边突变结:NAND:n+p结NDNA:p+n结突变结杂质分布:::jADjADxxNNxxNN用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。高表面浓度的浅扩散结一般认为是突变结线性缓变结：杂质浓度用x=xj处的切线近似表示。D()AjjNNxx缓变结杂质分布线性缓变结杂质分布2．扩散法3．生长法（外延）4．离子注入法：一般为突变结。●p-n结的种类：①合金结~熔化合金→再结晶（杂质分凝）→形成p-n结。②生长结~拉制单晶；CVD；MBE。（生长晶体时改变掺杂型号）③扩散或离子注入结~在衬底中掺入反型杂质（杂质补偿）④场感应结~表面沟道与衬底间形成的p-n结。4.(扩散)杂质n型衬底n型衬底1.(表面制备)3.(光刻)n型衬底SiO2n型衬底2.(氧化)5.(p-n结)n型衬底p6.(做电极和封装等)p-n结的制作过程衬底制备→氧化→光刻出窗口→从窗口掺入杂质(高温扩散或离子注入)→形成p-n结。IC中的PN结PN结5.pn结的应用：二极管~整流,检波,开关,振荡,发光,检测光等.1.空间电荷层两边的载流子分别往对方扩散→电离杂质中心形成空间电荷→产生电场内建电场：n区指向p区，从正电荷指向负电荷的电场，引起载流子的漂移运动电场阻挡载流子的扩散空间电荷层又称为势垒层漂移扩散导带电子的运动二、热平衡态下pn结的空间电荷和电场E施主受主np＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋n型p型＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋空间电荷区单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两种半导体结合形成PN结时，将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内建电场内建电场促使少子漂移内建电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区对于P型半导体和N型半导体结合面附近的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所在的区域称为空间电荷区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。耗尽层近似•当内建电场比较强时，可采用耗尽层近似－即空间电荷层中的载流子基本上都被电场驱赶出去了，空间电荷几乎都是由电离杂质中心所提供。•可近似把空间电荷层看成是耗尽层。•耗尽层近似只有在小注入时才成立！2、内建电场E(x)•空间电荷•空间电荷的产生？•空间电荷密度的分布为ρ(x)=q(p–n+ND–NA)≈q(ND–NA).泊淞方程：d2ψ/dx2=-ρ(x)/ε,E(x)=-dψ/dx；•内建电场的分布决定于掺杂浓度的分布.•最大电场Em在冶金界面处。np＋＋－－电场EEm电子能量Eix0-xPWqVbiEFxn对于突变结，当采用耗尽近似后，在N区的耗尽区中，泊松方程为：积分一次，得由边界条件：n()0xxEx在处，可求得常数C为：DsddEqNxDs()qExNxCDnsqCNx内建电场的求解于是可得nDns()0qExxxNxxPNmaxEEpx0nxx同理，在P区耗尽区中求解泊松方程，得以上求得的E(x)就是PN结的内建电场。pAs()qExxxNp0xx（2-5b）在x=0处，内建电场达到最大值，由上式可求出N区与P区的耗尽区宽度及总的耗尽区宽度，式中，称为约化浓度。AD0ADNNNNNmaxnDpAss(0)qqEExNxNsnmaxDxEqNspmaxAxEqNssADdnpmaxmaxAD0NNxxxEEqNNqN3、耗尽区宽度（2-6）（2-8）（2-7）最大电场Em在结界面处p-n结的内建电势VD也就是p型半导体和n型半导体之间的接触电势差。内建电势相应的能量qVD，也就是势垒层（空间电荷层）所造成的势垒高度电场E电子能量np＋＋－－EmEix0-xPWqVDEFxnVD=-E(x)dx=EmW/2-xPxn∫qVD=(Ec-EF)p-(Ec-EF)n扩散电势能(diffusion)或内建电势能(built-in)由于从n区指向p区的内建电场的不断增强，空间电荷区内电子电势能-qV(x)由n区向p区不断升高，导致能带上下移动4、pn结接触电势差DFnFpqVEE对内建电场作积分可得内建电势（也称为扩散电势）Vbi或120maxbis2qNEVnpbi()dxxVExx以上建立了3个方程，(2-6)、(2-7)和(2-10)，但有4个未知数，即、、和。下面用另一方法来求。biVnxpxmaxEbiVnpmax12xxE2smax02EqN内建电势的求解（2-10）并可进一步求出内建电势为:np0pn0bi()ddlnxpxpkTVExxpqpppd0dpJqDqpEx从上式可解出内建电场，pp1d()dDpExpxdlndpxqkTp0n0lnpkTqpp0n0lnlnkTppq已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度方程可得:ADbi2ilnNNkTVqn由于，，故得22iip0An0n0DnnpNpnNVbi与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和室温下，硅的Vbi约为0.75V，锗的Vbi约为0.35V。（2-13）02lnDADikTNNVqnVD与pn结两边的掺杂浓度(ND、NA)、温度(T、ni)、材料的禁带宽度(ni)有关:掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；禁带宽度越大，ni越小，VD越大；Eg锗Eg硅，所以VD锗VD硅一般室温下VD锗≈0.32V，VD硅≈0.7V01/22gEkTiCVnNNe接触电势差例1计算pn结中的内建电势差。硅pn结的环境温度为T=300K，掺杂浓度分别为NA＝1X1018cm-3,ND=1X1015cm-3。假设ni=1.5X1010cm-3。解：内建电势差为02lnDADikTNNVqnVVVbiD754.0)105.1(1010ln)0259.0(2101518若将NA改为1X1016cm-3，其他参数不变，则VD＝0.635V。说明：当掺杂浓度的数量级改变很大时，内建电势差也只是有微小的变化。12bisdnpbimax022VxxxVEqN综合：120maxbis2qNEV空间电荷层的宽度：ADbi2ilnNNkTVqn内建电场：内建电势：AD0ADNNNNN其中：对于P+N单边突变结，PNnxx0nxADNN则以上各式可简化为:p0x12Dmaxbis2qNEV12sndbiD2xxVqN0DNNE05、单边突变结的情形扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流内建电场三.平衡PN结特点净电流为零，J扩=J漂；空间电荷数量一定；空间电荷宽度一定。特点：平衡状态下的p-n结能带图(b)平衡p-n结能带图(a)n、p型半导体的能带EcEvEiEFpEAEFnEDPNqVDqVDEFEDEC费米能级处处相等标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，没有净电流通过p-n结J~dEF/dx费米能级nFpFinipEEEnE)()()(E:)(E:pFF型型接触前：当二者接触后，电子由NP，空穴由PN,(EF)n，(EF)p(EF)n=(EF)p=EFJ扩=J漂nnndnJnqEqDdx总电子电流密度：0nnkTDq0(ln)nnkTdJnqEnqdx0()expFiiEEnnkT又001lnln(ln)()FiiFiEEdEdEdnnnkTdxkTdxdx1()iFnndEdEJnqEqdxdx由电流密度方程推出()()iiEqVxdEdVxqqEdxdx的变化与电子电势能的变化一致FnnnFndEJndxJdEdxn可得：同理，空穴电流密度：FpppFpdEJpdxJdEdxp对于平衡pn结：Jn=Jp=00,FFdEEdx常数pn结空间电荷区中能带发生弯曲，空间电荷区又叫势垒区。•费米能级的差异要引起电荷的流动p-n结的能带图（热平衡情况）WEND-NAND-NAE线性缓变p-n结突变p-n结五、pn结的载流子分布平衡pn结中的电势能取p区势垒边界-Xp处电势为0。势垒区内任一点x处：()()iipExEqVx0000()()()()FipFiFipEEqVxEExkTkTiiEEqVxkTkTinxnenenee0()0()qVxkTpnxne00FipEEkTpinne∴0()0()DqVxqVkTnnxne边界条件：000000()()DDqVkTnnpnqVkTpppnxxnxnenxxnxnne时，时，∴同理：0()0()DqVqVxkTnpxpeV(x)=VDTkqVnpDenn000TkqVpnDepp000势垒区中，电子、空穴服从玻耳兹曼分布多子浓度指数衰减，与相应的n区，p区体内相比，多子好像被耗尽一样，因此一般常把势垒区叫耗尽区认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷区密度就等于电离杂质浓度。——注入的少数载流子：浓度分布和扩散电流——(正向偏置)(反向偏置)ppnn+--+JnJPnPpnpnnPJnJPJPJPJnJn电流密度电流密度浓度分布浓度分布JJpn0pn0nP0nP0补充1.T＝300K时，计算如下条件下硅pn结的内建电势差：NA=5X1017cm-3,ND=1016cm-3.作业(1)：P2171一、非平衡状态下的pn结(P+,N-)PNΕ内+－qVDq(VD－V)§6.2pn结电流电压特性Ε外X2X11．正偏pn结外电场削弱内电场→势垒区变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成扩散电流－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流外电场的方向与内电场方向相反正偏pn结正偏时载流子的运动和电流成分P电子扩散区结区空穴扩散区Nxp’xpxnxn’JnJpxJJ=Jp+Jn由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入.在正向偏压作用下，多子向势垒区边界漂移，扩散越过势垒区，形成扩散电流，并由于少子的积累，继续向内部扩散，不断与多子复合，扩散区内少子的扩散流转化为多子的漂移流。根据电流连续性原理，通过pn结中任一截面的总电流是相等的。只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同。正偏pn结(a)各区示意图；(b)非平衡少子分布；(c)电流密度分布；(d)能带图正偏时能带图因为扩散区比势垒区大，准费米能级的变化主要发生在扩散区，在势垒区中的变化则略而不计，所以在势垒区内准费米能级保持不变。2．反偏pn结(P-,N+)PN+－qVDq(VD－V)Ε外X1X2Ε内