半导体物理课件1-7章(第六章)

反向偏压情况下：
非平衡少子注入，准费米能级取代原来平衡时的统一费米能级， 在空穴扩散区， 势垒区和电子扩散区，电子和空穴的准费米能 级变化趋势相同，空穴准费米能级在空穴扩散区下降的高度为 qV。但EFp高于EFn。正向偏压时， EFp低于EFn
6.2.2 理想pn结模型及其电流电压方程
•1.小注入条件——注入的少数载流子浓度比 平衡多数载流子浓度小得多；
•当x=-xp，V(x)=0，所以p区非平衡少数载流
子，电子浓度为:
np0n(xp )源自nn0exp(qVD k0T
)
nn0
Nc
exp( EF Ecn k0T
)
np0
n(xp )
nn0
exp(
qVD k0T
)
同理，可以求得x点处的空穴浓度为
p(x)
pn0
exp(
qV (x) qVD k0T
)
假定内建电场方向沿着x轴方向，n仅随x变化
Jn
nqn
qDn
dn dx
•根据爱因斯坦关系：Dn=k0Tμn/q
•因为
Jn
nqn[
k0T q
d (ln x)] dx
n
ni
exp[
EF Ei k0T
]
•所以
ln
n
ln
ni
EF Ei k0T
ln
n
ln
ni
EF Ei k0T
d (ln n) 1 ( dEF dEi )
离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片中
直接键合—将硅片室温下粘贴再经过高温退火
按杂质分布的分类:
按导电类型：
突变结
同型结
线性缓变结
异型结
1.合金法:
特点：
1.n型区的施主杂质和p型区的受主杂 质都分布均匀，在交界处，杂质浓度 由NA突变成ND，形成突变结； 2.实际的突变结，两边杂质浓度相差 很多，n区ND≈1016cm-3，p区NA≈ 1019 cm-3，通常称为单边突变结(p+n)。
•4.将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想pn 结模型的电流电压方程式
•根据p区载流子浓度与准费米能级的关系：
np
3.外加直流电压下， pn结的能带图 正向偏压情况下：
EFp-EFn=qV
非平衡少子注入，准费米能级取代原来平衡时的统一费米能级， 在中性区和空穴(电子)扩散区，电子(空穴)的准费米能级变化 很小，在势垒区EF变化忽略不计，在空穴(电子)扩散区，空穴 (电子)的准费米能级呈斜线变化，至注入空穴(电子)为0，EFp=EFn
空间电荷区中产生内建电场,内建电场的方向: n 区→p区，在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.
pn结的内建电势(接触电势)，由内建电场所导致 的N区和P区的电势差。
pn结的热平衡：
随着扩散运动进行，空间电荷增多，空间 电荷区逐渐扩展，同时内建电场逐渐增强，载 流子的漂移运动逐渐增强。在无电场、光照、 磁场、辐射等外加作用时，载流子的扩散和漂 移运动最终达到动态平衡。
电流分布(电流密度J):
在体内,电流是多子漂移电流，在少子扩散区,多 子电流主要是漂移电流;少子电流是扩散电流
♦讨论电子电流的变化: 在空穴扩散区,电子(多子 )边漂移边与空穴复合; 势垒区很薄,势垒区中电子 电流可认为不变;在电子 扩散区,电子(少子)边扩散 边与空穴复合。
♦类似地, 可讨论空穴电 流的变化。稳态下, 通过任 一截面的总电流是相等的。
当PN结两端加正向 偏压，即P区接电源 的正极，N区接电源 的负极，称为正向 PN结。
反之，当PN结两端 加反向偏压则称反 向PN结。
零偏压 正向偏压 反向偏压
23
1.正向偏压下的pn结：
★势垒: ♦ 外电压主要降落于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势垒高度从下降为 q(VD-V),势
垒区宽度减少。
qV (x) qVD k0T
]
pp0
exp[
qV (x) ]
k0T
np0
n(xp
)
nn0
exp(
qVD k0T
)
pp0
p(xp )
pn0
exp(
qVD k0T
)
同一种载流子在势垒两边的浓度关系服 从玻尔兹曼分布。
❖ 利用上述公式计算电势能比n区导带底高 0.1eV的点x处的载流子浓度，假设势垒高 度为0.7eV，则
★非平衡载流子的电注入:
正向偏压下,势垒区内电场减弱，空间电荷区 (势垒区)宽度下降，载流子的扩散流大于漂移流 ，产生n(p)区的电子向p(n)区净扩散流，分别在p 区和n区形成扩散区。
p区电子为少子，n区空穴 为少子，由于正向偏压，使n 区和p区少子增多的过程，称 为非平衡载流子的电注入。
正向偏压增大，非平衡载 流子注入增加。
电流分布(电流密度J):
pn结中总的反向电流等于两个势垒边界附 近的少数载流子扩散电流之和。
少子的浓度很低，而扩散长度基本不变的 情况下，反向偏压导致少子的浓度梯度也比较 小。当反向偏压很大时，边界处的少子可以认 为是零，此时，少子的浓度梯度不在随电压变 化。因此扩散流也不在随着电压变化，所以反 向偏压下，pn结的电流较小趋于不变。
E(x) )
k0T
Z
1 2
eZ
dZ
0
n(x)
Nc
exp(
EF
E(x) )
k0T
•因为E(x) = -qV(x)
nn0
Nc
exp( EF Ecn k0T
)
•而Ecn= -qVD，所以
n(
x)
nn0
exp(
Ecn
E( k0T
x)
)
nn0
exp(
qV
(x) k0T
qVD
)
•当x=xn，V(x)=VD，所以 n(xn ) nn0
•pn0是n区平衡少数载流子浓度；
•当x=xn，V(x)=VD，所以 p(xn)=pn0
•当x=-xp，V(x)=0, p区非平衡多数载流子
浓度为：
pp0
p(xp )
pn0
exp(
qVD k0T
)
n(
x)
nn
0
exp[
qV
(
x) k0T
qVD
]
n
p0
exp[
qV (x) k0T
]
p(x)
pn0
exp[
•2.突变耗尽层条件——外加电压和接触电势 差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由 电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外 的半导体是电中性的。因此，注入的少数载 流子在p区和n区是纯扩散运动
•3.通过耗尽层的电子和空穴为常量，不考虑 耗尽层中的产生和复合作用。
•4.玻耳兹曼边界条件——在耗尽层两端，载 流子的分布满足玻耳兹曼统计分布。
•因为
nn0
ND , np0
ni2 NA
VD
1 q
(
EFn
EFp )
k0T q
ln( nn0 ) np0
k0T q
[ln
NDNA ] ni2
❖ VD与pn结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽 度有关。
❖ 温度一定时，掺杂浓度(NA,ND)越大，接触电势差 VD越大；材料Eg越大，ni越小，VD越大。
2.反向偏压下的pn结：
势垒:
♦ 外电压主要降落于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势垒高度从下降为 q(VD-V), 势垒区宽度减少。
非平衡载流子的电吸出:
反向偏压下,势垒区内电场增强，空间电荷区 (势垒区)宽度增加，势垒区载流子的漂移流大于 扩散流。
在强电场作用下，产生 n(p)区边界的电子被驱向 p(n)区。形成反向偏压下 的电子扩散流和空穴扩散 流，导致n区和p区的少数 载流子不断被吸走，称为 少子的抽取或者吸出。
•6.2.1节的讨论，是基于理想pn结模型开展的
•计算电流密度方法：
•1.根据准费米能级计算势垒区边界nn’和pp’处注入的 非平衡少数载流子浓度
•2.以边界nn’和pp’处注入的非平衡少数载流子浓度作 为边界条件，解扩散区中载流子连续性方程，得到 扩散区中非平衡少数载流子的分布
•3.将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出扩散 流密度，再算出少数载流子的电流密度
第六章 pn结
•6.1 pn结及其能带图 •6.2 pn结的电流电压特性 •6.3 pn结电容 •6.4 pn结击穿 •6.5 pn结隧道效应
6.1 pn结及其能带图
6.1.1 pn结的形成和杂质分布
•pn结的形成:在同一块N型（或P型）半导体单 晶上，用特定的工艺方法把P型（或N型）杂 质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域 分别具有N型区和P型区的导电类型，在二者 交界面以及交界面两侧的过渡区即称为pn结
n(
x)
nn0
[exp(
qV
(
x) k0T
qVD
)]
nn0e
0.1 0.026
nn0 50
ND 50
p(x)
pn0
exp(
qV
(
x) k0T
qVD
)
p p0
exp( qV (x)) k0T
0.6
p p0e 0.026
1010 N A
❖ 一般室温附近，绝大部分势垒区，杂质虽
然已经电离但是，载流子浓度比n区和p区
此时电子漂移电流和扩散电流，均大小相 等、方向相反。因此相互抵消。空穴也如此。 所以流过pn结的净电流为0，至此，空间电荷 区不在扩展，保持一定的宽度，达到热平衡状 态，称为平衡pn结。
6.1.3 pn结的能带图：
平衡pn结有统一的费米能级EF 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)，势垒高度为qV(x)。