半导体物理课件002

x
y0
（c ）
E Fp Ei KT ln
Np ni
0
中性区： PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。在杂质
饱和电离情况下，中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等， 不存在电场。
VT
1 Nd Na KT ，得： y 0 q ( EFn EFp ) VT ln n 2 i q
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布
y p VT ln
（2-6）
由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：
因而，在N型一边与P型一边中性区之间的电位差为
d 2y 0 dx 2
即：
p n N d N a 0 （2-4）
y 0 y n y p VT ln
Nd N a （2-7） ni2
半导体器件原理
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。 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。
半导体器件原理
● 加正向偏压时
耗尽层宽度为 W W
半导体器件原理
半导体器件原理
2.2加偏压的PN结
● 加反偏压时
耗尽层宽度为 W W
2.2加偏压的PN结
●根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性
在电子扩散区和空穴扩散区，E F不等于常数，根据修正欧姆定律必有电 流产生，由于 EF 0 ，电流沿 x 轴正方向，即为正向电流。又由于在 x 空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电 流密度也很大( J ( x) x ， P ( x ) p ( x )q ) 离开空间电荷区边界随着 距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也 越来越小。
y
m
x
y0
（c ）
0
W x p x n xn
边界条件： x x n , y 0
半导体器件原理
半导体器件原理
2.1热平衡PN结
y
内建电势差：
2 qN d xn x 1 2k 0 xn 2
Nd Na
2.1热平衡PN结
● 学习要求
掌握下列名词、术语和基本概念：
0 x xn
xp x 0
0
xn x N a N d
d y qN a dx 2 k 0
2
-Na
（a ）

x
（b ）
空间电荷的电中性： N a x p N d xn 空间电荷层宽度： W x p x n 对于单边突变结：
m
dy qN d ( x xn ) dx k0 dy 边界条件： x x n , 0 dx x dy 应用 E 得： E Em 1 dx xn Em
（c
半导体器件原理
2.1热平衡PN结
●空间电荷区内建电势差
方法一： （中性区电中性条件） 由一维泊松方程：
2.1热平衡PN结
方法一： （中性区电中性条件）
对于N型的中性区，假设 N a
0
，p n 。即
N a p 0 ，连并
d 2y q ( p n Nd Na ) dx 2 k 0 k 0
再次积分： y
d 2y qN d dx 2 k 0
做一次积分：
Nd Na
x pN d
0
xn x Na N d
- Na
（a ）

x
（b ）
qN d xn k 0
2
y
x
y0
（c ）
N a N d
xn x p
0
2 qN d xn x 1 2k 0 xn
在形成结之前N型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近 价带顶。当N型材料和P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必
两区之间杂质过渡是渐变的
-ax
定恒等。
xj
p
n
E
y 扩散 q 0 yn
EC EF Ei EV 漂移
p
x
0
n
E C EF E V
yp
漂移
EC
图 2.2 （b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）
3
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2.2加偏压的PN结
2.2.1加偏压的PN结的能带图
● 热平衡时 ● 加正向偏压时
2.2加偏压的PN结
耗尽层宽度为 W
远离PN结空间电荷区的中性区的准费米能级 EFn和 EFp。偏压 V 使热平 衡费米能级分裂，N区准费米能级 EFn相对P区准费米能级 EFp上移 qV。 相应地，N区各个能级上移 qV 。势垒高度降至 q(y 0 V )。 在空间电荷区由于 n, p ni ，可以认为费米能级EFn 和 EFp 通过空间电荷 区时分别不变。 在空间电荷区N侧，空穴准费米能级从E Fp 逐渐升高,最后与准电子费米 能级 EFn相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为空穴扩散区。类似 地，在空间电荷区P侧 EFn逐渐下降,最后与空穴准费米能级 EFp相等。这个 电子准费米能级变化的区域，称为电子扩散区。
SiO2
n Si
N+
N Si
N+
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
(e)曝光后去掉扩散窗口 (f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
半导体器件原理
半导体器件原理
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
S iO2
引言
●突变结与线性缓变结 ☆突变结：
Na
Na Nd
N Si N+
SiO2
P Si N Si
紫外 光
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
异型结： 由不同种导电类型的物质构成的结
（如P-硅和N-硅、P-硅和N－锗）；
光刻胶
掩 模板
光刻胶 SiO 2
SiO2
因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义 地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金 属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
耗尽区 边界层 n 型电中性区 p 型电中性区 边界层
2.1热平衡PN结
● PN结空间电荷区的形成（中性区电中性条件）
当把N型和P型材料放在一起时，由于在P型材料中有多得多的空穴，它

们将向N型一边扩散。与此同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向 P型区扩散。由于电子和空穴的扩散，在互相靠近的N侧和P侧分别出现 了没有载流子补偿的，固定的施主离子和受主离子——空间电荷。空间 电荷建立了一个电场—空间电荷区电场，也叫内建电场。内建电场沿着 抵消载流子扩散趋势的方向，它使载流子向与扩散运动相反的方向漂移。 在热平衡时，载流子的漂移运动和扩散运动达到动态相平衡，使得净载 流子流为零。结果，建立一个确定的空间电荷区。
x j x,
N ( x) N d
N+
(i)蒸发/溅射金属
（j） PN 结制作完成
单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）
半导体器件原理
半导体器件原理
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引言
●突变结与线性缓变结 ☆线性缓变结：
NaNd
2.1热平衡PN结
● PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）
半导体器件原理
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2.1热平衡PN结
方法二：（费米能级恒定）
从费米能级恒定的观点来看，热平衡PN结具有统一的费米能级。形成PN结 之前N区费米能级比P区费米能级高。形成PN结之后，费米能级恒定要求N区 费米能级相对P区费米能级下降，则原费米电势差 即PN结中N型与P型中性 区间电势差 y0。 未形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：
xn x Na N d
x pN d
0
y 0 y ( xn ) y ( x p )
2 qN d xn 2k 0
PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、 中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR) 的形成 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式： N N （2-7） y 0 y n y p VT ln d 2 a ni 解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和 耗尽层宽度。并记忆公式（2-14）―（2-18）
N+
P区和N区杂质过渡陡峭
xj 0
（g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成 PN结
x -Nd
金属
SiO2
金属
SiO 2
图 2.2 （a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）
N Si
P Si N+ N Si
P Si
金 属
0 x x j , N ( x) N a ;
2.1热平衡PN结
Nd Na
●几个概念 耗尽近似： 在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由
载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电 荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域， 自由载流子密度为零。
xpN d
0
xn x Na N d
- Na
（a ）

x
（b ）