半导体物理学第6章(pn结)

半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS第六章p-n结§1p-n结及其能带图§2p-n结的电流电压特性§3p-n结电容§4p-n结击穿§5p-n结隧道效应§6.1p-n结及其其能带图(1)p-n结的形成(2)p-n结的基本概念6.1pn结及其能带图6.1.1pn结的形成和杂质分析在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。PN★p-n结的形成p-n结的形成♦控制同一块半导体的掺杂,形成pn结(合金法;扩散法;离子注入法等)♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体同质结和异质结♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结--同质结♦由两种不同的半导体单晶材料组成的结—异质结工艺简介:♦合金法—合金烧结方法形成pn结♦扩散法—高温下热扩散,进行掺杂♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结杂质分布的简化:♦突变结♦线性缓变结图6-2图6-3合金法图6-4扩散法离子注入法★p-n结的基本概念①空间电荷区:♦在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.♦扩散的结果:在结面附近,出现静电荷--空间电荷(电离施主,电离受主).♦空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场的方向:n→p.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.PN结的形成在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。1．PN结的形成①扩散运动——P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。②漂移运动——在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。动态平衡下的PN结漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0③空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。（见下一页的示意图）④内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。⑤耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。②平衡p-n结及其能带图:♦当无外加电压,载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消,电荷没有净流动),p-n结有统一的EF(平衡pn结)♦结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).热平衡条件PNHolevESilicon(p-type)Silicon(n-type)cEiEfEcEfEiEvE热平衡条件内建电势内建电势PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度③接触电势差:♦pn结的势垒高度—eVD接触电势差—VD♦对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:♦VD与二边掺杂有关,与Eg有关020lnlnnDADpinNNkTkTVenen图6-8电势电子势能(能带)④平衡p-n结的载流子浓度分布:♦当电势零点取x=-xp处,则有:♦势垒区的载流子浓度为:)()(xqVExECCCCpExExx)(,DCCnqVExExx)(,kTxqVpkTExqVECeneNxnFC)(0)()(kTxqVpkTxqVEEVepeNxpVF)(0)()()()(xqVExEVV即有:00pppxxnnpp00nnnxxnnpp0000DDeVeVkTkTpnnpnneppe()()00()()npeVxeVxkTkTppxxxnxnepxpe图6-9平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:♦同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系♦处处都有n•p=ni2♦势垒区是高阻区(常称作耗尽层)StepJunction§6.2p-n结的电流电压特性(1)dEF/dx与电流密度的关系(2)正向偏压下的p-n结(3)反向偏压下的p-n结(4)理想p-n结(5)伏安特性★dEF/dx与电流密度的关系EF随位置的变化与电流密度的关系热平衡时,EF处处相等,p-n结无电流通过(动态平衡).当p-n结有电流通过,EF就不再处处相等.且,电流越大,EF随位置的变化越快.==FFdEdEJnJpdxdx总之:①是否有电荷流动,并不仅仅取决于是否存在电场②当电流密度一定时,dEF/dx与载流子浓度成反比③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系(用准费米能级取代费米能级):F==FdEdEJnJpdxdx★正向偏压下的p-n结①势垒:♦外电压主要降落于势垒区♦加正向偏压V,势垒高度下降为e(VD-V),势垒区宽度减少.图6-10②非平衡子的电注入:♦正向偏压下,势垒区内电场减少载流的扩散流漂移流非平衡子电注入形成少子扩散区.(外加正向偏压增大,非平衡子电注入增加)♦边界处的载流子浓度为:♦稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的.00()()eVkTppeVkTnnnxnepxpe正向偏压下非平衡少子的分布③电流:♦在体内,电流是多子漂流电流♦在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流;少子电流是扩散电流♦讨论空穴电流的变化:在电子扩散区,空穴(多子)边漂移边与电子复合;势垒区很薄,势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴扩散区,空穴(少子)边扩散边与电子复合.♦类似地,可讨论电子电流的变化:稳态下,通过任一截面的总电流是相等的J=J++J-=J+(xn)+J-(-xp)♦绿色:漂移电流.♦紫色:扩散电流.④准费米能级:EF-,EF+在势垒区,扩散区,电子和空穴有不同的准费米能级:♦在扩散区,可认为多子的准费米能级保持不变♦在势垒区,近似认为准费米能级保持不变♦在扩散区,少子的准费米能级与位置有关,且有:FFEEeV图6-13★反向偏压下的p-n结①势垒高度:e(VD+|V|)②非平衡子的电抽取:(也形成少子扩散区)00()()eVkTppeVkTnnnxnepxpe③电流:仍有J=J++J-=J+(xn)+J-(-xp)♦正向偏压时，在少子扩散区,少子复合率产生率(非平衡载流子注入);反向时,产生率复合率(少数载流子被抽取)♦反向时,少子浓度梯度很小反向电流很小④准费米能级:在势垒区FFEEeV图6-14★理想p-n结理想p-n结:♦①小注入条件♦②突变结,耗尽层近似—可认为外加电压全降落于耗尽层①+②在扩散区,少子电流只需考虑扩散♦③忽略耗尽层中的产生,复合通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持不变♦④玻耳兹曼边界条件★伏安特性定性图象♦正向偏压下,势垒降低,非平衡少子注入,正向电流随正向电压的增加很快增加.♦反向偏压下,势垒升高,非平衡少子被抽取,反向电流很小,并可达到饱和.理想二极管方程PN结正偏时理想二极管方程PN结反偏时定量方程基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生—复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:图6.4欧姆接触边界耗尽层边界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD......0......02222边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22耗尽层边界P型一侧PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn耗尽层边界(续)N型一侧1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关准中性区载流子浓度理想二极管方程求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xpxn0pnnppdxpdD22'0xX’1)0'(0)'(/2kTqVDinnAeNnxpxp空穴电流一般解PPPLxLxnDLeAeAxpPP,)'(/'2/'1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/'/2/'/21')'(0'1)'(电子电流P型侧NANALxkTqVAiNNpNNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/''/2/''/21'')''(0''1)''(PN结电流1))()((/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII①少子在扩散区中的分布:♦空穴扩散区♦电子扩散区0()(),()(1)nxxeVLkTnnnpxpxepxpe0()(),()(1)PxxeVLkTpppnxnxenxne②少子扩散电流:边界处的少子扩散电流为00()()(1)()()(1)eVkTnXnneVkTpXppeDdpxJxeDpedxLeDdnxJxeDnedxL③J~V特性:00()()(1)eVkTnpSSnpJJxJxJeeDeDJpnLLpnjunctiondiode④对JV特性的说明:ⓐ单向导电性:反向饱和电流Jsⓑ温度的影响:T↑,Js很快增加ⓒ单边突变结:Js的表达式中只有一项起主要作用只需考虑一边的少子扩散ⓓ正向导通电压:Eg越大的材料,具有更大的正向导通电压.伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR与理想情况的偏差大注入效应空间电荷区的复合★p-n结击穿现象:对p-n结施加反向偏压时,当反向偏压增大到某一数值时,反向电流密度突然开始迅速增大.发生击穿时的反向偏压--p-n结的击穿电压.p-n结击穿的基本原因:载流子数目的突然增加.击穿机理:♦雪崩击穿—强电场下的碰撞电离,使载流子倍增♦隧道击穿—大反向偏压下,隧道贯穿使反向电流急剧增加♦热电击穿—不断上升的结温,使反向饱和电流持续地迅速增大§3p-n结电容(1)电容效应(2)突变结的空间电荷区(3)突变结势垒电容(4)扩散电容PN结电容★电容效应p-n结有存储和释放电荷的能力。①势垒电容CT—