PN结
PN结
图2-3 PN结空间电荷区的形成
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区 边界层 边界层 n 型电中性区 耗尽区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3 PN结空间电荷区的形成
2.1 热平衡PN结
Nd Na
单边突变结 电荷分布 电场分布 电势分布
x pN d
0
Na N d
xn x
引言
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。
引言
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） 。 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。 由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P硅和P-硅、P-硅和P-锗），由不同种导电类型的物 质构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N锗）。
引言
光刻工艺：
光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表 面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机 化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半 导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化 学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显 影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的 区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.
引言
硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
SiO 2
N Si
N+
N+
PN 结
PN 结PN结的形成在一块N型（或P型）半导体上，掺入三价（或五价）的杂质元素，使其产生一个P型（或N型）半导体区间。
这时，在N区和P区之间的交界面附近将形成一个极其薄的空间电荷层，称为PN结。
PN结形成原理示意图交界面两侧产生多子浓度的极大差异，此差异会引起交界面两侧多子相互扩散到达对方，并与对方的多子复合。
经多子扩散后所形成的图片如下：P区靠近交界面会形成一个负离子薄层，N区靠近交界面处会形成一个正离子薄层。
交界面两侧这些薄层称为空间电荷区。
由于多子扩散，这一区域缺少载流子，故也称耗尽层。
但并不是没有载流子，只不过是它相对于中性区而言，载流子浓度很小，小的可以忽略。
在两种半导体之间存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势垒或位垒。
扩散电流和漂移电流的形成接近PN结的少子受内电场的作用而被加速，向另一侧漂移，形成漂移电流漂移电流和扩散电流大小相等，方向相反，达到动态平衡少数能量大的多子克服内电场产生的电场力扩散到另一侧，形成扩散电流不对称的PN结当N区和P区的掺杂浓度相等时，两侧空间电荷区的宽度相等。
当P区和N 区的掺杂浓度不相等时，掺杂浓度高的一侧离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄；掺杂浓度高的一侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽。
PN结的正偏和反偏P型半导体接负极，N型半导体接正极，PN结反偏。
反偏时，外电场和内电场方向相同，外电场加强了内电场的势垒作用，势垒增加，有利于少子漂移，不利于多子扩散。
所以PN结反偏时，PN结变宽，呈现为高电阻，处于反向截止状态。
P型接正极，N型接负极时，PN结正偏。
此时，外电场和内电场的方向相反，外电场削弱了内电场，势垒下降，势垒下降有利于多子扩散，使大量多子扩散通过PN结，形成大的正向电流，PN结呈现为低电阻，处于导通状态。
一部分多子在扩散过程中，与空间电荷区的离子中和，使PN结变窄。
NPN晶体管中应用到的PN结原理在发射区内，掺杂浓度较高，含有更多的多子。
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
PN结
｝→→→
｛P 区空穴→→N 区 ｝
➢
➢
｛ P 区：电子 → 与空穴复合 →→ 空间电荷区↑宽｝
➢ 复合→→｛
｝→ →→
｛ N 区：空穴 → 与电子复合 →→ 内部电场Uho↑ ｝
➢
｛ P 区电子→ N区→→空间电荷区↓窄 ｝
➢ 漂移 →→→｛
｝→ →→
➢ 少子的漂移运动 ｛ N 区空穴→ P区→→内部电场Uho↓ ｝
➢
➢ 其中IS为反向饱和电流，UT= kT/q 温度电压当 量，一般取值为26mv；而k为玻耳曼常数，T为热 力学温度，q为电子电荷量。
18
☆ 当T = 300k（常温）时，UT = 26mV 由I = IS (eU/UT-1) 得出PN结的伏安特性曲线。如下图：
B C
A
19
➢ （a ）当 U > 0 即PN结正向偏置时，（曲 线如a段）且当U >几倍以上UT时:
阻小，导通； ➢ PN结加反向电压时，形成反向电流IS极小，电
阻大，不导通(截止)； ➢ 这一特性称为单向导电性。
17
三、PN结的特性 —— 伏安特性
➢ 理论证明：PN结的正向特性和反向特性可以由 以下关系式即PN结两端的外电压U与流过PN结的 电流I之间的关系：
➢
➢ I Is (eU /UT 1) A
➢ 实验结果表明：温度再升高10℃，IS约增加一 倍。 U(on)随T↑而略↓当温度进一步增大到极端， 本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半 导体类似，PN结就不存在了。
➢ 因此，PN结正常工作的最高温度：
➢
Si：150 ~ 200℃
➢
Ge：75 ~ 100℃
26
正向区：温度升高， 曲线左移
PN结
PN 结
1.2.1 异形半导体接触现象
在形成的PN 结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：电子从N 区向P 区扩散;空穴从P 去向N 区扩散。
因为它们
都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N 区留下了带正电的空穴，在P 区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场(自建场).
它们的形成过程如图(1)，(2)所示
在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。
电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。
此时，PN 结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。
半导体物理PN结
动态平衡时
本征费米能级Ei的变化与电子的电势能-qV(x)的变化一致， 所以：
PN结接触电势差
如图所示，在PN结的空间电荷区中，能带发生 弯曲，这是空间电荷区中电势能变化的结果。 因为能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高 的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”， 才能到达p区，这一势能“高坡”通常称为PN 结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。
对非简并材料， x点的电子浓度 n(x)，应用第三章计算平衡时导 带载流子浓度计算方法
2（ m*k0T 3 2
3
）2
exp(E F E x ) k0T
因为E(x)=-qV(x)
nn0
Nc
exp(E F
Ecn k0T
),E cn
qVD
nx
nn0
exp(Ecn E x k0T
ln nn0 np0
1
k0T
(E Fn
E Fp )
因为nn 0
N D ,np 0
ni 2 NA
VD
1 q
(EFn
EFp )
k0T q
(ln
nn0 ) np0
接触电势差：
PN结的载流子分布：
平衡时的pn结，取p区电势为零， 则势垒区中一点x的电势V(x)正值，
x点的电势能为E(x)=-qV(x)
• PN结具有单向导电性。热平衡状态下，PN结的任何区域 满足n0p0=ni2。Ｐ区、N区和ＰN结内具有统一的费米能级。
PN结的典型工艺方法（1）：
高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓 度Al的p型Si薄层。它与n型硅衬底的交界 面处就是PN结（这时称为铝硅合金结）。
第二章 PN结
2.1.1、PN结的形成及类型
2、PN结的类型 (1)、突变结
P区
N区
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质
NA
浓
度
ND
xj
x
2.1.1、PN结的形成及类型
(2)、缓变结
N
P
杂 质
ND -NA
浓
度
xj
千皮法； 4. 推导公式近似应用于低频情况，扩散电容随频率的增加而
减小。
2.4 PN结击穿 2.4.1 、 PN 结 击 穿 的 含 义
PN结反向电压超过某一 数值时，反向电流急剧增
加 的 现 象 称 为 “ PN 结 击
穿”，这时的电压称为击
穿电压（VR）
I
VR V
2.4.2、产生击穿的机制
产生击穿的机制
电流在 N 型区中主要由电子携带； jn
电流在 P 型区中主要由空穴携带；
通过 PN 结的电流在扩散区内实现电流
Ln
载体转换。
N区 jp
Lp
正偏电流方向
空穴漂移
电子漂移
P
N
电子扩散
空穴扩散
2.2.2、反向PN结
（1）反向PN结势垒变化
反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移运动平衡 漂移运动强于扩散运动 抽取少子
（1）势垒区的复合电流
正偏时要考虑势垒区复合电流：
J rec
W qRdx qniW
0
2 0
exp qV 2kT
总电流：
P N 结介绍
一、PN结的形成 PN结的形成
电子、 电子、空穴 当导体处于热力学温度0 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当 导体中没有自由电子。 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高， 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电， 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为 自由电子。 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 本征激发 热激发 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 空穴。 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
一、PN结的形成 PN结的形成
P + + + N + + + + + + PN结的接触电位： PN结的接触电位： 结的接触电位 (1).内电场的建立 内电场的建立， PN结中产生电位差 结中产生电位差。 (1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。 从而形成接触电位V 又称为位垒) 从而形成接触电位Vϕ(又称为位垒)。 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 (2). 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 结内总电流=0 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 不对称结： 不对称结： 对称结—两个区（ 区和N 对称结—两个区（P区和N区）内耗尽层 相等（杂质深度相等） 相等（杂质深度相等） 不对称结— 不对称结—杂质浓度高的侧耗尽层小于杂 质深度低的一侧，这样的PN PN结称为不对 质深度低的一侧，这样的PN结称为不对 称结
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PN 结
PN 结的重要参数：耗尽区宽度、耗尽区电容、击穿电压。
耗尽区宽度
VD 为正偏电压
P 型半导体：多子为空穴，少子为电子；掺杂浓度为NA 。
N 型半导体：多子为电子，少子为空穴；掺杂浓度为ND 。
耗尽区形成：载流子的扩散（多子扩散 --> 留下的固定电荷形成电场 --> 载流子
的反向运动（少子漂移） --> 漂移与扩散平衡，形成耗尽区。
内建电势（势垒）：）（2i D
A 0n N N ln q kT =φ q
kT 为Vt 室温下为25.9mV
耗尽区深入P 型半导体中的宽度：2
/1D A A D
D 0Si p N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 其中Si
ε为硅的
介电常数（1.38 X 23
10
- J/K ），q 为电子电荷量（1.60 X 19
10-C ）
耗尽区深入N 型半导体中的宽度：2
/1D A D A
D 0Si n N N qN N V -2-x ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡+=）（）（φε 耗尽区主要向轻
掺杂半导体一侧扩展，即NA （ND ）越大，Xp （Xn ）越小。
耗尽区宽度：2/102
/1)()(2D D A D A Si d V N qN N N x -⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+=φε 耗尽区宽度与势垒和外加电压
之差的平方根呈正比；且掺杂浓度越小，耗尽区宽度越大。
耗尽区中带电电荷（其中P 型半导体中耗尽区带负电，N 型半导体中耗尽区带正电）：
||p
A
j
x AqN Q = 其中A 为pn 结横截面积。
耗尽区电容
Pn 结耗尽区形成的电容称作耗尽区电容：()(
)
2
/102
/11
2D
D A D
A Si
j V N N N
qN A C -⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡+=φε
根据上式，当VD 趋近于0
φ时，j
C 将趋近于无穷大，但是此时流过二极管的电流
已经比较大，因此上式不再成立，实际趋势如下图所示。
Φ0/2
Φ0
VD
C j
实际的情况
上图所示为j
C 与外加偏置电压V
D 的关系，其中实线为理想情况，虚线为实际情
况。
随着VD 增大（VD<0
φ），耗尽区宽度减小，这样可以解释电容增大。
击穿电压
Pn 结的电场强度：2/102
/10)()(2D D A
Si D
A V N N N qN E -⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡+=φε
Pn 结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场Emax 决定，根据上式可得
2
max
2)
(E N qN N N BV D
A D A Si +≅
ε 。
对硅来说最大电场近似为3X 510 V/cm ，也就是说一般pn 结的击穿电压取决于其掺杂浓度，掺杂浓度越高，击穿电压越小。
雪崩击穿：任何反偏pn 结由于耗尽区附近存在着少数载流子，在电场的作用下他
们穿越耗尽区，形成结的漏电流。
如果增大结的反偏电压，场强增大，则载流子在电场中移动所获得的能量增大。
当电场增大到Emax 时，载流子将获得足够的能量，得以在与硅原子的碰撞中产生新的空穴-电子对。
这就是雪崩过程。
由于新产生的载流子又会引起雪崩，所以雪崩过程将导致反偏漏电流突然增大。
齐纳击穿：在重掺杂时，即使很小的反偏电压也可在耗尽区形成很强的电场，从而
可以直接从价键中夺走电子，这个过程称为隧道效应。
只有在重掺杂的结中才会出现齐纳击穿。
Pn 结实际反向电流：R n R
R RA i BV v Mi i
))
/(11
(-== 其中R v 是pn 结上的反偏电压；M 是雪崩倍增因子；n 是一个指数，典型值在3~6之间；R
i 为pn 结反向电流。