第七章--pn结

第7章pn结2014年10月本章内容第7章pn结7．1pn结的基本结构7．2零偏7．3反偏*7．4非均匀掺杂pn结7．5小结2引言PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。正因为如此，PN结一章在半导体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之一。由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）.常用的两种形成pn结的工艺1、合金法其特点是，n型区中的施主杂质浓度为Nd，而且均匀分布，p型区中的受主杂质浓度为Na,也是均匀分布，在交界面处，杂质浓度由Na（p型）突变为Nd（n型）2、扩散法(平面工艺）它是在n型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的pn结，其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。其特点是，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。7.1pn结的基本结构冶金结:P区和n区的交界面突变结突变结-均匀分布，交界处突变57.1pn结的基本结构空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）PN结的形成6Spacechargeregionpn结的形成7.2零偏7.2.1内建电势差pn结能带图8当两块半导体结合成pn结时，按费米能级的意义，电子将从费米能级高的n区向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而FFn不断下移，且EFp不断上移，直至时FFn=EFp为止；这时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于热平衡状态。Vbi--pn结的内建电势差或接触电势差；电子电势能之差，即能带弯曲量qVbi称为pn结的势垒高度。本章开始Nd，Na分别指n区和p区内的净施主和受主杂质！7.2零偏7.2.1内建电势差9思考：Vbi与哪些因素有关？idFndFniFiFinNekTNkTenkTEEnnnln)(expexp0区中的电子浓度iaFpaFpiFFiinNekTNkTenkTEEnppln)(expexp0区中的空穴浓度7.2零偏7.2.2电场强度半导体内的电场由泊松方程确定：电场表达式：电荷密度耗尽近似：107.2零偏7.2.2电场强度对n区和p区电场函数积分可得相应的电势表达式：11npsnspsndspabieQxeQxxeNxeNV222222np能带发生弯曲的原因7.2零偏7.2.3空间电荷区宽度n区和p区的空间电荷区宽度：13sndspabixeNxeNV2222ndpaxeNxeN7.2零偏7.2.3空间电荷区宽度dapnpnNNxx1、对单边突变结，内建电势差主要降落在轻掺杂的一侧；2、大部分空间电荷区位于轻掺杂的一侧；3、结两侧的空间电荷数量相同（符号相反）；4、对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。2121]11[2][2dabidadabinpNNeVNNNNeVxxWdnapsnnsppNxNxeQxeQx22讨论一讨论二为什么，能否定性解释？7.2零偏7.2.3空间电荷区宽度7.3反偏7.3.1空间电荷区宽度与电场反偏与内建电场方向相同EF不再统一16外加偏置电压VR（以P端相对于N端电压为定义方向)正偏：P端接正；反偏：P端接负。n7.3反偏7.3.1空间电荷区宽度与电场V=Vbi+VR177.3反偏7.3.1空间电荷区宽度与电场x=0处18RbibiVVV换成将平衡时式中的7.3反偏7.3.2势垒电容（结电容）势垒电容单位面积电容197.3反偏7.3.2结电容势垒电容(耗尽层电容)20势垒电容是反偏电压的函数。7.3反偏7.3.3单边突变结NaNd时，这种结称为P+n结。空间电荷区宽度：21空间电荷区的宽度和势垒电容主要取决于轻掺杂的一侧。7.3反偏7.3.3单边突变结227.4非均匀掺杂pn结线性缓变结x=x′处a为净杂质浓度梯度；23002ln3bitsieaxaxVVn23eaxxdxdE)(由)(202xxeaE302033)31()(xeaxxxeax7.4非均匀掺杂pn结线形缓变结2431)(230RbiVVeax7.4非均匀掺杂pn结7.4.2超突变结超突变结X0处的归一化n型掺杂浓度为：线形缓变结超突变结外延（内重掺杂，外轻掺杂）均匀掺杂结257.4非均匀掺杂pn结7.4.2超突变结超突变结的电容表达式m为负值时，势垒电容很大程度上取决于反偏电压的大小。超突变结的应用举例：LC电路LC电路的共振频率：电路应用中要求fr是反偏电压的线性函数，则：267.5小结均匀掺杂pn结。空间电荷区。空间电荷区内的电场。空间电荷区内的电势差。外加偏置条件下空间电荷区宽度、内建电势差、势垒电容、场强的变化。线性缓变结的电场、内建电势差、势垒电容的表达式。特定的掺杂曲线可以用来实现特定的电容特性27掌握pn结中内建电势差、电场强度、空间电荷区宽度、势垒电容的推导.28作业P187复习题37.77.167.26