4-1第四章_PN结1
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PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解
PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解PN结的形成如果把一块本征半导体的两边掺入不同的元素，使一边为P型，另一边为N型，则在两部分的接触面就会形成一个特殊的薄层，称为PN结。
PN结是构成二极管、三极管及可控硅等许多半导体器件的基础。
PN结载流子的扩散运动如右图所示是一块两边掺入不同元素的半导体。
由于P型区和N 型区两边的载流子性质及浓度均不相同，P型区的空穴浓度大，而N 型区的电子浓度大，于是在交界面处产生了扩散运动。
P型区的空穴向N型区扩散，因失去空穴而带负电；而N型区的电子向P型区扩散，因失去电子而带正电，这样在P区和N区的交界处形成了一个电场（称为内电场）。
PN结内电场的建立PN结内电场的方向由N区指向P区，如右图所示。
在内电场的作用下，电子将从P区向N区作漂移运动，空穴则从N区向P区作漂移运动。
经过一段时间后，扩散运动与漂移运动达到一种相对平衡状态，在交界处形成了一定厚度的空间电荷区叫做PN结，也叫阻挡层，势垒。
PN结的工作原理如果将PN结加正向电压，即P区接正极，N区接负极，如右图所示。
由于外加电压的电场方向和PN结内电场方向相反。
在外电场的作用下，内电场将会被削弱，使得阻挡层变窄，扩散运动因此增强。
这样多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流。
由此可见PN结正向导电时，其电阻是很小的。
加反向电压时PN 结变宽，反向电流很小如果PN结加反向电压，如右图所示，此时，由于外加电场的方向与内电场一致，增强了内电场，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。
由于少数载流子为数很少，故反向电流是很微弱的。
因此，PN结在反向电压下，其电阻是很大的。
由以上分析可以得知：PN结通过正向电压时可以导电，常称为导通；而加反向电压时不导电，常称为截止。
这说明：PN结具有单向导电性。
微电子 04-PN结1
kT NAND Vbi =ψn ψ p = ln( ) 2 q ni
空间电荷(space charge) ： 空间电荷
热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结
由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 ( 间电荷区) 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
0 < x ≤ xn
半导体的总电荷中性要求p侧每单位面积总负空间电荷必须 精确地和n侧每单位面积总正空间电荷相同：
N A x p = N D xn
总耗尽层宽度W即为
W = x p + xn
由
d ψ qN A = 2 dx εs
2
xp ≤ x < 0 和
耗尽区 ψ d
2
dx
2
=
qN D
εs
0 < x ≤ xn
x
E 0
εm Vbi （d）
W
x
ψ
Vbi
0
W
x
（a）在热平衡时，单边突变结 N A >> N D） （b）空间电荷分布 （ （c）电场分布 （d)随距离改变的电势分布，其中 Vbi 为内建电势
电场分布的表示式仍为：
耗尽区
V=0
（a） ND （b） NA （c） p＋ ND NA
E ( x) = E m +
p-n结
本节内容 热平衡状态下的p 热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流电流-电压特性 电荷储存与暂态响应 结击穿 异质结
模电课件04第一章PN结电容
从而实现整流作用。
整流器广泛应用于各种电子设备 和电源供应系统中，如电源适配
器、充电器等。
放大器的运用
放大器是利用PN结的放大效应来实现信号放大的电子元件。
在放大器中，PN结电容的作用是控制信号的放大倍数和频率响应，从而 实现信号的放大。
放大器广泛应用于各种电子设备和系统中，如音频放大器、射频放大器 等。
PN结电容的物理意义
PN结电容反映了PN结两端电压与结 区内电荷分布之间的关系。
它对于理解半导体器件的工作原理、 分析电路性能以及设计新型器件具有 重要的意义。
PN结电容的特性
PN结电容具有非线性特性，即 在不同偏置电压下，PN结电容
的数值会发生变化。
PN结电容与温度密切相关，温 度的变化会影响PN结电容的大
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
随着电子技术的不断发展，PN结电 容的应用范围越来越广泛，对其性能 的要求也越来越高。
为了满足不断增长的性能需求，PN 结电容的研究和开发也在不断深入， 新型材料和制备工艺不断涌现。
未来，随着电子器件的小型化和集成 化，PN结电容的发展将更加注重微 型化、高精度和高稳定性等方面，以 满足不断变化的市场需求。同时，随 着人工智能和物联网等新兴技术的快 速发展，PN结电容的应用领域也将 得到进一步拓展。
电荷存储与PN结电容
电荷在PN结空间电荷区中的存储形成 了PN结电容。
PN结电容的大小与空间电荷区的宽度 和掺杂浓度有关。
当外加电压施加在PN结两端时，自建 电场和外加电场的共同作用使得空间 电荷区中的电荷发生移动，导致电容 的充放电。
影响PN结电容的因素
01
02
03
掺杂浓度
整流器广泛应用于各种电子设备 和电源供应系统中，如电源适配
器、充电器等。
放大器的运用
放大器是利用PN结的放大效应来实现信号放大的电子元件。
在放大器中，PN结电容的作用是控制信号的放大倍数和频率响应，从而 实现信号的放大。
放大器广泛应用于各种电子设备和系统中，如音频放大器、射频放大器 等。
PN结电容的物理意义
PN结电容反映了PN结两端电压与结 区内电荷分布之间的关系。
它对于理解半导体器件的工作原理、 分析电路性能以及设计新型器件具有 重要的意义。
PN结电容的特性
PN结电容具有非线性特性，即 在不同偏置电压下，PN结电容
的数值会发生变化。
PN结电容与温度密切相关，温 度的变化会影响PN结电容的大
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随着电子技术的不断发展，PN结电 容的应用范围越来越广泛，对其性能 的要求也越来越高。
为了满足不断增长的性能需求，PN 结电容的研究和开发也在不断深入， 新型材料和制备工艺不断涌现。
未来，随着电子器件的小型化和集成 化，PN结电容的发展将更加注重微 型化、高精度和高稳定性等方面，以 满足不断变化的市场需求。同时，随 着人工智能和物联网等新兴技术的快 速发展，PN结电容的应用领域也将 得到进一步拓展。
电荷存储与PN结电容
电荷在PN结空间电荷区中的存储形成 了PN结电容。
PN结电容的大小与空间电荷区的宽度 和掺杂浓度有关。
当外加电压施加在PN结两端时，自建 电场和外加电场的共同作用使得空间 电荷区中的电荷发生移动，导致电容 的充放电。
影响PN结电容的因素
01
02
03
掺杂浓度
第四章pn结
• • • • • • • •
空间电荷(space charge) ： 由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
耗尽区
• 耗尽区(abrupt junction) • 为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑两 种重要的例子，即突变结(abrupt junction)和线性缓变结 linearly graded junction)． • 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的pn结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突 然变换来近似表示．
• •
•
产生-复合和大注入影响 理想的二极管方程式，可以适当地描述锗p-n结在低电流密度时的电流-电压 特性．然而对于硅和砷化镓的p-n结，理想方程式只能大致吻合，因为在耗尽 区内有载流子的产生及复合存在． 首先，在反向偏压下，耗尽区内的载流子浓度远低于热平衡时的浓度．前一 章所讨论的产生和复合过程主要是通过禁带中产生-复合中心的电子和空穴发 射，俘获过程并不重要．因为俘获速率和自由载流子的浓度成正比，而在反 向偏压下耗尽区的自由载流子非常少．工作在稳态下，这两种发射过程交替 地发射电子和空穴。电子-空穴对产生可以由
电流电压特性
• • • • • • • • • • • • • 电流-电压特性： 当在p-n结外加一电压，将会 打乱电子和空穴的扩散及漂移电 流间的均衡． 如中间图所示，在正向偏 压时，外加的偏压降低跨过耗 尽区的静电电势．与扩散电流 相比，漂移电流降低了．由p端 到n端的空穴扩散电流和n端到p 端的电子扩散电流增加了．因 此，少数载流子注入的现象发 生，亦即电子注入p端，而空穴 注入n端．
第一章pn结
用扩散法制得的p-n结，扩散杂质浓度由表面向内部 沿扩散方向逐渐减小，在结附近杂质浓度是渐变的，故 称其为缓变结。若结附近杂质浓度作线性变化，其杂质 浓度梯度是常数，称作线性缓变结。
在冶金结处，净杂质浓度为零。
9
10
2、p-n结空间电荷区
自建电场E
P
Xp
Xn
N
空间电荷区Xm
因为缺少载流子，空间 电荷区为高阻区。
坎电压，记为Vf.
32
关于正向电流公式的讨论
理论与实验结果的偏离
I
qV
I0e kT
ln
I
ln
I0
qV kT
用经验公式J
exp
qV
kT
表示
小电流 2
中等电流 1 符合理论值
大电流 1
由于小电流（小注入）下忽略了势垒复合（假设3）
大电流下，小注入的假设（假设4）不再成立
因 Evp Evn qVD V
p x N e n n
EF Evn Evp Evp kT v
N e e EF Evp kT v
qVD V kT
p e0 qVD p
kT
eqV
kT
pn0eqV kT
同样 np xp n0peqV kT
在空间电荷区中x处：
n x nieEF Ei x kT
p x nieEi xEF kT
Ei x Eip qV x
p x
n eEip EF i
kT
eqV x
kT
p
0 p
在冶金结处，净杂质浓度为零。
9
10
2、p-n结空间电荷区
自建电场E
P
Xp
Xn
N
空间电荷区Xm
因为缺少载流子，空间 电荷区为高阻区。
坎电压，记为Vf.
32
关于正向电流公式的讨论
理论与实验结果的偏离
I
qV
I0e kT
ln
I
ln
I0
qV kT
用经验公式J
exp
qV
kT
表示
小电流 2
中等电流 1 符合理论值
大电流 1
由于小电流（小注入）下忽略了势垒复合（假设3）
大电流下，小注入的假设（假设4）不再成立
因 Evp Evn qVD V
p x N e n n
EF Evn Evp Evp kT v
N e e EF Evp kT v
qVD V kT
p e0 qVD p
kT
eqV
kT
pn0eqV kT
同样 np xp n0peqV kT
在空间电荷区中x处：
n x nieEF Ei x kT
p x nieEi xEF kT
Ei x Eip qV x
p x
n eEip EF i
kT
eqV x
kT
p
0 p
半导体物理学简明教程pn结
第四章 p-n结
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 pn结的形成及其平衡态 pn结的伏安特性 pn结电容 pn结击穿 pn结的光伏效应 pn结发光
1
2015年7月1日星期三
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2015年7月1日星期三 8
一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成
在一块 n 型半导体基片的一 侧掺入较高浓度的受主杂质， 由于杂质的补偿作用，该区 就成为ｐ型半导体。 N 区的电子向 P区扩散；P 区的空穴向N区扩散。 在P型半导体和Ｎ型半导 体的交界面附近产生了一 个电场,称为内建场。 p-n结
由 n0 N C exp(
同理，得空穴电流 J p p0 p dEF dx
2015年7月1日星期三
dE F 0 因为热平衡时 Jn＝0，所以结果表明热平衡时 dx
13
三、pn结的接触电势差
平衡pn结空间电荷区两端的电势差VD称为pn结的接 触电势差或自建电势差，相应的电子势能之差，即能 带的弯曲量qVD，称为pn结的势垒高度。
EC EF
EF EV ●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
价带 p 型半导体
空 间 电 荷 区
EV 价带 n 型半导体
11
2015年7月1日星期三
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p 区，以及空穴从p区流向n区来实现的。在载 流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至 EFn＝EFp＝EF时达到平衡。
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 pn结的形成及其平衡态 pn结的伏安特性 pn结电容 pn结击穿 pn结的光伏效应 pn结发光
1
2015年7月1日星期三
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2015年7月1日星期三 8
一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成
在一块 n 型半导体基片的一 侧掺入较高浓度的受主杂质， 由于杂质的补偿作用，该区 就成为ｐ型半导体。 N 区的电子向 P区扩散；P 区的空穴向N区扩散。 在P型半导体和Ｎ型半导 体的交界面附近产生了一 个电场,称为内建场。 p-n结
由 n0 N C exp(
同理，得空穴电流 J p p0 p dEF dx
2015年7月1日星期三
dE F 0 因为热平衡时 Jn＝0，所以结果表明热平衡时 dx
13
三、pn结的接触电势差
平衡pn结空间电荷区两端的电势差VD称为pn结的接 触电势差或自建电势差，相应的电子势能之差，即能 带的弯曲量qVD，称为pn结的势垒高度。
EC EF
EF EV ●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
价带 p 型半导体
空 间 电 荷 区
EV 价带 n 型半导体
11
2015年7月1日星期三
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p 区，以及空穴从p区流向n区来实现的。在载 流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至 EFn＝EFp＝EF时达到平衡。
半导体器件物理 第四章总结
所以：源产生载流子，漏吸收载流子。
上栅极 VG ≤0
P+
第三个电极是栅极，它与沟道构成一个整 流结。 结型场效应器件本质上是一种电压控制电 阻器，其阻值能够随着扩展到沟道区的耗 尽层宽度的（器件的尺度：沟道长度为L， 宽度为Z，深度为2a）变化而变化。
W 源 W
L
n
VD ≥0
2a
P+
6
VDS对沟道的控制（假设VGS 一定） 由图 VGD = VGS - VDS * VDS很小时 → VGD VGS
① JFET的I-V关系曲线
JFET对应 不同的VG 有不同的 曲线
②双结型特性曲线
对应用不同基板电流Ib有不同的曲线
Ic Ib
饱和区
β=△Ic/ △Ib
Vce
5
4-1-3 JFET的工作原理
JFET由一个带有两个欧姆接触的异电沟道构成，一个欧姆接触起源极的作用，
另一个作漏极。当漏极加一个相对于源极的正电压时，电流从源到漏。
③ VG =－VP 时:
当栅源电压VG=-VP 时N沟道全夹断。
此时即使有漏源电 压VD ，亦不能产生 电流ID。
ID B
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
当VG=－VP时,N沟道的起 始状态为全夹断,管中已 没有自由电子，即此时N 沟道不存在,漏源间的电 阻为无穷大,所以即使有 VD,亦不会有ID。 C VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
0 VG(V) 0
Vp
10V
29 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 时,ID为最大。 ID(mA) 当栅源电压等 夹断电压时, ID为0。
上栅极 VG ≤0
P+
第三个电极是栅极，它与沟道构成一个整 流结。 结型场效应器件本质上是一种电压控制电 阻器，其阻值能够随着扩展到沟道区的耗 尽层宽度的（器件的尺度：沟道长度为L， 宽度为Z，深度为2a）变化而变化。
W 源 W
L
n
VD ≥0
2a
P+
6
VDS对沟道的控制（假设VGS 一定） 由图 VGD = VGS - VDS * VDS很小时 → VGD VGS
① JFET的I-V关系曲线
JFET对应 不同的VG 有不同的 曲线
②双结型特性曲线
对应用不同基板电流Ib有不同的曲线
Ic Ib
饱和区
β=△Ic/ △Ib
Vce
5
4-1-3 JFET的工作原理
JFET由一个带有两个欧姆接触的异电沟道构成，一个欧姆接触起源极的作用，
另一个作漏极。当漏极加一个相对于源极的正电压时，电流从源到漏。
③ VG =－VP 时:
当栅源电压VG=-VP 时N沟道全夹断。
此时即使有漏源电 压VD ，亦不能产生 电流ID。
ID B
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
当VG=－VP时,N沟道的起 始状态为全夹断,管中已 没有自由电子，即此时N 沟道不存在,漏源间的电 阻为无穷大,所以即使有 VD,亦不会有ID。 C VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
0 VG(V) 0
Vp
10V
29 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 时,ID为最大。 ID(mA) 当栅源电压等 夹断电压时, ID为0。
第四章 pn结..
第4章 pn 结1、对N A =1×1017cm -3，N D =1×1015cm -3的突变pn 结，通过计算比较其制造材料分别为Si 和GaAs 时室温下的自建电势差。
解：pn 结的自建电势)(ln 2iA D D n N N q kT V =已知室温下，0.026kT =eV ，Si 的本征载流子密度310100.1-⨯=cm n i ，代入后算得：eV V D 718.0))100.1(101101ln(026.02101517=⨯⨯⨯⨯⨯=GaAs 的本征载流子密度36101.2-⨯=cm n i ，代入后算得：eVV D 537.1)101.2101101ln(026.061517=⨯⨯⨯⨯⨯=2、接上题，分别对Si 结和GaAs 结求其势垒区中1/2势垒高度处的电子密度和空穴密度。
解：根据式(4-14)，该pn 结势垒区中qV D -qV (x )=1/2qV D 处的热平衡电子密度为])(exp[])(exp[)(00kT qV x qV N kT qV x qV n x n DD D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得3901001.1-⨯=cm n 对于GaAs ：代入数据计算得3201046.1-⨯=cm n根据式（4-17），该处的空穴密度为])(exp[])(exp[)(200kT x qV qV N n kT x qV qV p x p D D i D n -=-=对于Si ： 代入数据计算得31001092.9-⨯=cm p 对于GaAs ：代入数据计算得31001004.4-⨯=cm p3、设硅pn 结处于室温零偏置时其n 区的E C - E F =0.21eV ，p 区的E F -E V =0.18eV 。
(a)画出该pn 结的能带图；(b)求p 区与n 区的掺杂浓度N A 和N D ；(c)确定接触电势差V D 。
解：（b ）假定室温下p 区和n 区的杂质都已完全电离，则平衡态费米能级相对于各自本征费米能级的位置可下式分别求得：)exp(kT E E N N F C C D --=;)exp(kT E E N N VF V A --=室温下319319101.1,108.2--⨯=⨯=cm N cm N V C代入数据可得：31519107.8)026.021.0exp(108.2-⨯=-⨯=cm N D代入数据可得：31619101.1)026.018.0exp(101.1-⨯=-⨯=cm N A(c) 接触电势差可表示为2ln i A D D n N N q kT V =代入数据得：eV V D 72.0)100.1(101.1107.8ln 106.1026.0210161519=⨯⨯⨯⨯⨯=-4、一硅突变pn 结的n 区n =10cm ，p =5s ；p 区p =0.1cm ，n =1s ，计算室温任意正向偏压下:：(a)空穴电流与电子电流之比；(b)反向饱和电流密度；(c)0.5V 正向电压下的电流密度。
PN结1
Laser Diodes Solar Cells
2013-9-17
3
• More significantly, they are the common building blocks in semiconductor devices.
A conventional npn bipolar transistor structure
2013-9-17
( xp x 0)
32
qNA V ( x) ( xp x) 2 2k 0
( xp x 0)
同样，在结的N型一侧，
qND V ( x) VBi ( xn x) 2 2k 0
(0 x xn)
V与x 的关系实际上是二次函数关系，结的P型侧为凹形 曲线，结的N型侧为凸形曲线 2013-9-17 33
两个含义：
在冶金结附近区域，-xp≤x≤xn, 载流子浓度可 以忽略
耗尽区以外的电荷密度则处处为零。
2013-9-17 22
第一章 PN结
1.1.5 准中性近似 理想突变结：P区和N区均匀掺杂时，远离空间电荷区处 Nn0=ND, pp0=NA 杂质非均匀分布的PN结，要考虑远离冶金结处的载流子分布。 分析一块孤立的N型半导体材料，杂质分布——ND（X) ? 假定 空间任意位置电子浓度为 nn(x)=ND(x)
2013-9-17 20
p2=0.1pp0
利用泊松方程求出
第一章 PN结
实例：掺杂浓度NA=1018/cm3, ND=1015 /cm3 计算结果： 2- 1=0.057V, 内建电势VBi=0.75V xp=0.013μ m, xn=0.041μ m,空间电荷区宽度xm=0.99 μ m 结论：边界区可以忽略，也就是耗尽近似
PN结及单向导电性PPT课件
动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + 动画 － － － － － － + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
最新课件
磷原子
在N 型半导体中自由电子
是多数载流子，空穴是少数
载流子。
最新课件
8
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
3
本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
（a. 电子电流、b.空穴电流）
最新课件
10
1.1.3 PN结的形成
载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + 动画 － － － － － － + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
最新课件
磷原子
在N 型半导体中自由电子
是多数载流子，空穴是少数
载流子。
最新课件
8
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
3
本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
（a. 电子电流、b.空穴电流）
最新课件
10
1.1.3 PN结的形成
载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓
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xj
x=xj
x
8
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (3) 突变结近似 适用于表面杂质浓度较 高、结深较浅的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
9
4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
N型区与P型区有何差别 ？
N P
杂质浓度近似处理方法 A。线性缓变结近似 B。突变结近似
杂 质 浓 度
ND
-NA
xj
7
x
4.1平衡PN结
4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (2) 线性缓变结近似 适用于表面杂质浓度较 低、结深较深的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
dN(x) a j= dx
q p nb = p n 0e qVa / kT = p p 0e
0
qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e ND
n pa = n p 0e qVa / kT = nn 0e
q 0 qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e NA
4.2.4准中性区内的扩散流
少子可以通过漂移和扩散两种方式流动。如果半导体材料的均匀 掺杂区是准中性的，而且少数载流子并不是很小，那么少数载流 子的流动将以扩散方式为主，下面证明之：
反证法：考虑少子电流并不是很小，有：
dn J e = q e n qDe dx
Jh
dp = q h p qD h dx
p n ND 0
结 面 积、外加电压 有关
突 变 结 势 垒 电 容: 与 VD－V 的 1/2 次方成反比 线形缓变结势垒电容：与 VD－V 的 1/3 次方成反比
61
4.3 PN结电容 4.3.2 PN结的扩散电容
当PN结外加正向偏压V，在 其势垒区二边的扩散区内有 着非平衡少数载流子电荷的 积累。 nN0
4.2.2载流子的注入和抽取
如果在p-n结上外加的是反向电压，则 势垒升高，使阻挡载流子往对方扩散 的作用加强，这时将不会出现少数载 流子的注入，从而不会有注入-扩散形 成的反向电流；但是在势垒边缘处的 少数载流子将要受到势垒中电场的作 用，可以被抽取到对方，从而形成通 过p-n结的反向电流，但这时因为总的 少数载流子浓度很低，则在势垒边缘 产生的浓度梯度很小，则少数载流子 往势垒边缘处扩散的电流也很小，所 以p-n结的反向电流很小。但应该强调 的是这种微小的反向电流也是由于少 数载流子在扩散区的扩散所形成的电 流，属于扩散电流，并非漂移电流。
如：势垒区内电势能比n区导带底低0.1eV的点，多 数载流子电子的浓度仅为1/50倍，而少子空穴浓 度仅为 10 10 倍，此处载流子浓度很小，就象耗尽 了一样，所以称为耗尽区。
23
• 知道了耗尽区载流子浓度分布，根据电动力学知 识就可得电势电场分布。 • 如图。
Step Junction
Semiconductor Physics
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND x
5
xj
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布
N P
扩散法制造PN结过程
杂 质 浓 度 ND
-NA
N-Si P-Si
xj
x
缓变结
6
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布 2. 缓变结 (1) 缓变结杂质分布
i
EV
12
4 4
两者费米能之差
4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
教材处理方法：
接触电势差大小与 两边的掺杂浓度有 关系，材料本身也 有关系。
了解内容
4
4
了解内容
4 4
4 4
• 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)
Semiconductor Physics
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
二、平衡PN结能带图
P
电 位
空间电荷区
N
xp
内建电场
xn
VD : 接触电势差 (内建电势)
空间电荷区又称
势垒区 耗尽层
VD
电 子 势 能
qVD
能 带
EFP
EC E FN qVD EC i EF EV
（2） 外加电压
+ E —
—
E
+
—
E
+
p n
p
n
内电场 正偏压 负偏压 内电场
p
隧道效应
n
内电场 高负偏压
1）加入正偏压V，n区的电势比p区的电势高VD – V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散 增强，载流子产生的净电流。 2）加入负偏压V，n区的电势比p区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散 减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。
N型区与P型区交界面处载流子如何运动 ？
• 空间电荷 • 空间电荷区 • 内建电场
10
4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
载流子浓度差
多子的扩散运动 由杂质离子形成 空间电荷区 空 间 内电 建荷 电区 场形 成 内建电场促使 少子漂移 内建电场阻碍 多子扩散
载流子扩散和漂移达到动态平衡。
4.2非平衡状态下的P－N结 4.2.1非平衡状态下的能带图
平衡载流子： 在一定温度下，半导体中由于热激发产 生的载流子（电子或空穴）。 非平衡载流子：由于施加外界条件(外加电压、光照)， 人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载 n 流子。
p
（1） 光照 E
P区电子
n
p
_
+
p n
n区空穴
q h p
dp dn 求导得 dx dx
假使少子电流中漂移成份不可忽略即：
dp qD h dx
由于n远远大于p，则：
dp dn q h n qD h qD h dx dx
dn dx
同样：
q e n qD e
由于电子与空穴的迁移率大小 差不多（数量级相同）：
q e n q h p
4.2.3耗尽区边载流子的浓度和偏压关系
零偏置时：
通过耗尽区的电流为漂移电流与扩散电流之差
零偏置时，处理平衡状态：
利用爱因斯坦关系式，可得：
对两边积分：
p nb = p pae
q 0 / kT
e
qVa / kT
A点应遵循空间电荷中性条件，多数载流子远大于少子
p pa = N A n pa p p 0 p n 0e q
第4章 PN结
基本结构（空间电荷区） 工作原理（载流子浓度分布、输运） 电流电压特性（肖克莱方程） 电容效应（势垒电容、扩散电容） 击穿特性（雪崩击穿、隧道击穿、热击穿）
1
4.1 平衡PN结
一、PN结结构 二、空间电荷区 三、平衡 PN 结载流子分布
2
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
因为耗尽层厚度W随着外加电压V而改变， 则耗尽层中的空间电荷Q也将随着外加电压 而改变，这就有p-n结的所谓电容效应。
56
4.3 PN结电容 4.3.1 PN结的势垒电容
四、势垒电容讨论 1、PN结势垒电容和平板电容的不同 电容随外加电压变化 势垒区内充满电荷
2、PN结势垒电容与 杂质浓度、杂质分布、
3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间 电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即n区的导 带和p区的价带具有相同的能量量子态。
4.2.2载流子的注入和抽取
当p-n结上加有电压时，势垒高度和势 垒厚度都将发生变化。如果外加的是 正向电压，则势垒高度降低，使阻挡 载流子往对方扩散的作用减弱，从而 发生少数载流子的大量注入（大量电 子从n型区注入到p型区，大量空穴从p 型区注入到n型区）。注入到对方去的 少数载流子首先是在势垒区边缘处积 聚（积聚的有效范围就是少数载流子 的扩散长度，p-n结的这个区域就称为 扩散区）；然后再依靠浓度梯度往半 导体内部扩散，从而形成较大的通过 p-n结的电流——正向电流。显然，如 此形成的p-n结正向电流是少数载流子 的扩散电流。
11
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.
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1，若一边重掺杂，则势垒区 几乎全部在轻掺杂一边，能 带弯曲也在这一边。 p若取 n 2.热平衡状态下，对于 V＝0.75V，对于掺杂浓度每 立方厘米 1014 ,1015 ,1016 ,1017 ，可算得耗尽区宽度分别为 3.1,1.0,0.31,0.1微米。
3.由此公式还可看出 宽度随着外加电压 的变化而变化。
一、PN结
在同一块半导体单晶中N型区与P型区的交界面以及交 界面两侧的过渡区，称为 PN结。
PN结
P
N
3
★ 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
x=xj
x
8
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (3) 突变结近似 适用于表面杂质浓度较 高、结深较浅的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
N型区与P型区有何差别 ？
N P
杂质浓度近似处理方法 A。线性缓变结近似 B。突变结近似
杂 质 浓 度
ND
-NA
xj
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x
4.1平衡PN结
4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、杂质分布 2、缓变结 (2) 线性缓变结近似 适用于表面杂质浓度较 低、结深较深的缓变结
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
dN(x) a j= dx
q p nb = p n 0e qVa / kT = p p 0e
0
qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e ND
n pa = n p 0e qVa / kT = nn 0e
q 0 qVa / kT
ni 2 qVa / kT = e NA
4.2.4准中性区内的扩散流
少子可以通过漂移和扩散两种方式流动。如果半导体材料的均匀 掺杂区是准中性的，而且少数载流子并不是很小，那么少数载流 子的流动将以扩散方式为主，下面证明之：
反证法：考虑少子电流并不是很小，有：
dn J e = q e n qDe dx
Jh
dp = q h p qD h dx
p n ND 0
结 面 积、外加电压 有关
突 变 结 势 垒 电 容: 与 VD－V 的 1/2 次方成反比 线形缓变结势垒电容：与 VD－V 的 1/3 次方成反比
61
4.3 PN结电容 4.3.2 PN结的扩散电容
当PN结外加正向偏压V，在 其势垒区二边的扩散区内有 着非平衡少数载流子电荷的 积累。 nN0
4.2.2载流子的注入和抽取
如果在p-n结上外加的是反向电压，则 势垒升高，使阻挡载流子往对方扩散 的作用加强，这时将不会出现少数载 流子的注入，从而不会有注入-扩散形 成的反向电流；但是在势垒边缘处的 少数载流子将要受到势垒中电场的作 用，可以被抽取到对方，从而形成通 过p-n结的反向电流，但这时因为总的 少数载流子浓度很低，则在势垒边缘 产生的浓度梯度很小，则少数载流子 往势垒边缘处扩散的电流也很小，所 以p-n结的反向电流很小。但应该强调 的是这种微小的反向电流也是由于少 数载流子在扩散区的扩散所形成的电 流，属于扩散电流，并非漂移电流。
如：势垒区内电势能比n区导带底低0.1eV的点，多 数载流子电子的浓度仅为1/50倍，而少子空穴浓 度仅为 10 10 倍，此处载流子浓度很小，就象耗尽 了一样，所以称为耗尽区。
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• 知道了耗尽区载流子浓度分布，根据电动力学知 识就可得电势电场分布。 • 如图。
Step Junction
Semiconductor Physics
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND x
5
xj
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布
N P
扩散法制造PN结过程
杂 质 浓 度 ND
-NA
N-Si P-Si
xj
x
缓变结
6
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布 2. 缓变结 (1) 缓变结杂质分布
i
EV
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两者费米能之差
4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
教材处理方法：
接触电势差大小与 两边的掺杂浓度有 关系，材料本身也 有关系。
了解内容
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了解内容
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4 4
• 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)
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
二、平衡PN结能带图
P
电 位
空间电荷区
N
xp
内建电场
xn
VD : 接触电势差 (内建电势)
空间电荷区又称
势垒区 耗尽层
VD
电 子 势 能
qVD
能 带
EFP
EC E FN qVD EC i EF EV
（2） 外加电压
+ E —
—
E
+
—
E
+
p n
p
n
内电场 正偏压 负偏压 内电场
p
隧道效应
n
内电场 高负偏压
1）加入正偏压V，n区的电势比p区的电势高VD – V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散 增强，载流子产生的净电流。 2）加入负偏压V，n区的电势比p区的电势高VD +V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散 减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。
N型区与P型区交界面处载流子如何运动 ？
• 空间电荷 • 空间电荷区 • 内建电场
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4.1平衡PN结 4.1.2、能带图与空间电荷区
一、空间电荷区的形成
载流子浓度差
多子的扩散运动 由杂质离子形成 空间电荷区 空 间 内电 建荷 电区 场形 成 内建电场促使 少子漂移 内建电场阻碍 多子扩散
载流子扩散和漂移达到动态平衡。
4.2非平衡状态下的P－N结 4.2.1非平衡状态下的能带图
平衡载流子： 在一定温度下，半导体中由于热激发产 生的载流子（电子或空穴）。 非平衡载流子：由于施加外界条件(外加电压、光照)， 人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载 n 流子。
p
（1） 光照 E
P区电子
n
p
_
+
p n
n区空穴
q h p
dp dn 求导得 dx dx
假使少子电流中漂移成份不可忽略即：
dp qD h dx
由于n远远大于p，则：
dp dn q h n qD h qD h dx dx
dn dx
同样：
q e n qD e
由于电子与空穴的迁移率大小 差不多（数量级相同）：
q e n q h p
4.2.3耗尽区边载流子的浓度和偏压关系
零偏置时：
通过耗尽区的电流为漂移电流与扩散电流之差
零偏置时，处理平衡状态：
利用爱因斯坦关系式，可得：
对两边积分：
p nb = p pae
q 0 / kT
e
qVa / kT
A点应遵循空间电荷中性条件，多数载流子远大于少子
p pa = N A n pa p p 0 p n 0e q
第4章 PN结
基本结构（空间电荷区） 工作原理（载流子浓度分布、输运） 电流电压特性（肖克莱方程） 电容效应（势垒电容、扩散电容） 击穿特性（雪崩击穿、隧道击穿、热击穿）
1
4.1 平衡PN结
一、PN结结构 二、空间电荷区 三、平衡 PN 结载流子分布
2
4.1平衡PN结 4.1.1、PN结结构与杂质分布
因为耗尽层厚度W随着外加电压V而改变， 则耗尽层中的空间电荷Q也将随着外加电压 而改变，这就有p-n结的所谓电容效应。
56
4.3 PN结电容 4.3.1 PN结的势垒电容
四、势垒电容讨论 1、PN结势垒电容和平板电容的不同 电容随外加电压变化 势垒区内充满电荷
2、PN结势垒电容与 杂质浓度、杂质分布、
3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间 电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即n区的导 带和p区的价带具有相同的能量量子态。
4.2.2载流子的注入和抽取
当p-n结上加有电压时，势垒高度和势 垒厚度都将发生变化。如果外加的是 正向电压，则势垒高度降低，使阻挡 载流子往对方扩散的作用减弱，从而 发生少数载流子的大量注入（大量电 子从n型区注入到p型区，大量空穴从p 型区注入到n型区）。注入到对方去的 少数载流子首先是在势垒区边缘处积 聚（积聚的有效范围就是少数载流子 的扩散长度，p-n结的这个区域就称为 扩散区）；然后再依靠浓度梯度往半 导体内部扩散，从而形成较大的通过 p-n结的电流——正向电流。显然，如 此形成的p-n结正向电流是少数载流子 的扩散电流。
11
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.
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1，若一边重掺杂，则势垒区 几乎全部在轻掺杂一边，能 带弯曲也在这一边。 p若取 n 2.热平衡状态下，对于 V＝0.75V，对于掺杂浓度每 立方厘米 1014 ,1015 ,1016 ,1017 ，可算得耗尽区宽度分别为 3.1,1.0,0.31,0.1微米。
3.由此公式还可看出 宽度随着外加电压 的变化而变化。
一、PN结
在同一块半导体单晶中N型区与P型区的交界面以及交 界面两侧的过渡区，称为 PN结。
PN结
P
N
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★ 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