半导体技术之-PN结基础知识
半导体PN结_图文
21
1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。 而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有电荷的变
化, 说明ＰＮ结具有电容效应。 PN结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
40
1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 浓度是一定的，故少子形 成的漂移电流是恒定的， 基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流。
半导体物理基础(6)PN结
XD
VD
(
q
2 r
0
)(
NA ND NAND
)
由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为-电注入
np0
nn0
Space charge region
Diffusion region
1. Alloyed Junctions (合金结)
合金温度
降温再结晶
2. Diffused Junctions (扩散结)
Conceptual example of the use of photolithography to form a pn junction diode.
3. Ion Implantation (离子注入)
p x pn0e k0T
I-V characteristic of a p-n junction
现假设:
1. 势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中 载流子的产生和复合。
2. 小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中 的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场 可忽略。
(1) 正向偏置 （ Forward bias）
刚接触，扩散》漂移
内建电场
漂移 扩散=漂移
（达到动态平衡）
漂移运动
P型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
内电场E N型半导体 + +++++ + +++++ + +++++ + +++++
半导体的基本知识
第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。
自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。
半导体基础PN结与二极管的应用
半导体基础PN结与二极管的应用半导体技术是当代电子领域中最为重要的基础技术之一。
其中，PN 结和二极管作为半导体器件中的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。
本文将介绍半导体基础PN结的原理及其在二极管中的应用。
一、半导体基础PN结原理PN结是由n型和p型半导体材料的结合而形成的。
其中，n型半导体与p型半导体的性质有着明显的区别。
1. n型半导体：在n型半导体中，材料中的杂质原子掺入了导电能力较强的杂原子，如磷（P）或砷（As）。
这些杂原子具有多余的电子，因此在外加电场的作用下，这些电子能够自由地移动，形成电流。
2. p型半导体：与n型半导体相反，p型半导体中的杂原子通常是掺入了硼（B）或铝（Al）等元素。
这些杂原子缺少电子，因此在外加电场的作用下，它们会吸引材料中的电子，形成称为“空穴”的空缺。
当n型半导体和p型半导体相互接触时，形成PN结。
由于电子流动的方向与空穴流动的方向相反，PN结会产生一个电场，这个电场阻碍电子和空穴的再次扩散。
由于这个电场，PN结具有单向导电性，即在正向偏置时能够导电，而在反向偏置时则不能导电。
二、二极管基于PN结的特性，可以制造出一种叫做二极管的器件。
二极管是半导体电子学中最简单也是最常用的器件之一。
它由一个PN结构成，具有两个引线（即正极和负极）。
1. 正向偏置二极管：在正向偏置情况下，即将正极连接到p区，负极连接到n区时，PN结处的电场会减小，从而使电子和空穴越过PN 结。
电流可以自由地流动，因此二极管可以导电。
2. 反向偏置二极管：在反向偏置情况下，即将正极连接到n区，负极连接到p区时，PN结处的电场会增大，从而阻碍电子和空穴的扩散。
此时，几乎没有电流通过二极管，因此二极管处于截止状态。
三、二极管的应用二极管由于其独特的特性，在电子领域中有广泛的应用。
1. 整流器：二极管可以用作整流器，即将交流信号转换为直流信号。
通过适当连接多个二极管，可以制造出多级整流电路，用于变压器和电源的设计。
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结知识点归纳总结
pn结知识点归纳总结1. PN结的基本结构PN结的结构由N型半导体和P型半导体构成，N型半导体中电子浓度大，载流子主要为自由电子；P型半导体中正孔浓度大，载流子主要为正孔。
当N型半导体和P型半导体连接在一起时，由于扩散电子（来自N型半导体）和空穴（来自P型半导体）产生的载流子浓度差异，会在结附近形成电场，形成“势垒”。
2. PN结的形成原理PN结的形成原理主要包括扩散、漂移和复合过程。
（1）扩散过程：由于N型半导体中电子浓度大，P型半导体中正孔浓度大，在两者接触的区域，高浓度的电子和正孔会通过热激发和碰撞扩散到对方半导体中。
（2）漂移过程：在扩散过程中，载流子会受到电场的作用而发生漂移运动，形成电场。
（3）复合过程：当电子和正孔扩散到对方半导体中后，它们会发生复合，释放出能量，从而形成势垒。
3. PN结的电子学性质PN结在正向和反向偏置下的电子学性质不同。
（1）正向偏置：当PN结连接的端子电压为正向偏置时，P区的正电荷和N区的负电荷将被中和，减小势垒高度，电子和正孔将跨过势垒，导致电流流通，二极管处于导通状态。
（2）反向偏置：当PN结连接的端子电压为反向偏置时，P区的正电荷与N区的负电荷互相吸引，增大势垒高度，阻止电子和正孔跨过势垒，导致电流无法流通，二极管处于截止状态。
4. PN结的应用PN结广泛应用于各种半导体器件中，包括二极管、晶体管、光电二极管和太阳能电池等。
（1）二极管：二极管是最基本的半导体器件，由PN结构成。
它具有正向导电、反向截止的特性，可用于整流、开关和信号检测等电路中。
（2）晶体管：晶体管是一种三端口设备，由PNP或NPN结构构成。
它可以放大电流信号，用于放大器、开关和逻辑电路中。
（3）光电二极管：光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，由PN结构成。
它广泛应用于光通信、光电传感器等领域。
（4）太阳能电池：太阳能电池是一种能够将太阳光能转换为电能的器件，由PN结构成。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结：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.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）。
2。
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。
3。
按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。
空间电荷区:PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。
PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示).7。
费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压:P负N正9。
空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区）。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
10。
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子：能够导电的自由粒子。
半导体基础知识-PN结-练习
半导体基础知识 ３．含有施主杂质浓度为N D =9ⅹ1015cm-3，及受主杂质浓度为N A ＝ 1.1ⅹ1016cm3，的硅在300K 时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。
（1031.510/i n cm =⨯）４．室温时的电导率。
又设电子和空穴迁移率分别为 1350cm 2/V·S 和500cm 2/V·S。
当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率。
它比本征Si 的电导率增大了多少倍？ （已知硅的原子密度为5×1022cm-3,1031.510/i n cm =⨯）５．样品掺有8⨯1015磷原子cm -3和1.2⨯1016硼原子cm -3，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度及样品的电阻率。
（s V cm n ⋅≈/1350少子2μ，s V cm p ⋅≈/500多子2μ）６.积为10-3cm 2,掺有浓度为1013cm -3的p 型Si 样品，样品内部加有强度为103V/cm 的电场，求；室温时样品的电导率及流过样品的电流密度和电流强度。
ｐｎ结1. PN 结其参数为：N d =1×1016/cm 3，N a =5×1018/cm 3，1p n us ττ==，A=10-2cm -2。
2. 硅突变结的掺杂浓度为N a =2×1016 cm -3，N d =2×1015 cm -3，温度为T=300K 。
计算：（a ）V bi ，（b ）V R =0与V R =8V 时的W ，（c ）V R =0与V R =8V 时的最大电场。
3. 考虑T=300K 时的硅p+n 结。
V R =10V 条件下其最大电场被限制为E max =l06V ／cm 。
求n 区的最大掺杂浓度。
4. 考虑T= 300 K 时的硅p+n 结，N a =1018cm -3，N d =1016 cm -3。
少子空穴扩散系数为Dp=12 cm 2/s ，少子空穴的寿命为τp0=10-7s 。
- 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)。
（2-69）
在正向偏置情况下，取 I I 0 eV VT，导出
dV dT
I 常数
V T
VT
1 I0
dI0 dT
dI dT
V 常数
I
1 I0
dI 0 dT
V TVT
将（2-69）式代入（2-70）和（2-71）式中，得到
dV
V
Eg0
q
dT
T
（2-72） 和
m
x
0 0
（c ）
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
➢ 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式:
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
➢ 解Poisson方程求解PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
m 1
x xn
qNd xn2 2k 0
➢ 空间电荷区载流子通过复合中心复合的最大复合率条件：
n p ni eV 2VT
最大复合率为:
U max
ni 2 0
eV
2VT
➢ 正偏复合电流和反偏产生电流分别为：
I rec
qAniW
2 0
eV 2VT
I R eV 2VT
IG
qAU W
qni AW 2 0
由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱和的。
是稳态载流子输运满足扩散方程
1.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义 ➢ 外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意
味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。 ➢ 均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。 ➢ 空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。xp 0 Fra biblioteknIp x
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
正向偏压情况下的的P-N结
反向偏压情况下的的P-N结
载流子浓度
少数载流子电流
P型
PN
N型
空间电荷层
I Ip In
np0 np
pn0 pn
In x
Ip
Ip
In
In
Ip
x
xp 0 xn
x
xp 0 xn
x x
xp 0 xn
x
1
x xn
2
W
xn
2k 0 0
qNd
1
2
m
qNd xn k 0
0
qNd xn2 2k 0
1.2 加偏压的 P-N 结
1.2.1加偏压的结的能带图
P
N
W
W
P
N
V
+
能量 （E ）
（a ）
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
q 0
qV
V
E Fn
1.4空间电荷区的复合电流和产生电流
低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 偏压升高： 扩散电流占优势 更高偏压： 串联电阻的影响出现了
➢ 概念
空间电荷区正偏复合电流
W
I rec
qA 0
Udx
空间电荷区反偏产生电流
W
Irec qA 0 Gdx
式中W为空间电荷区宽度，U为空间电荷区载流子通过复合中心复合的复合率， G为空间电荷区载流子产生率。
（b）加正向电压，耗尽
层宽度W’W
1.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
q0 VR
➢ 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：
正偏压使空间电荷区内建电势差由 0 下降到 0-V打破了PN结的热平衡，使载 流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电
dQ C
dVR
C
A
qk
2VR
0Nd 0
1
2
C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容：
PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。
常用 1 C 2－ VR 关系：
1 C2
2 qK 0 N d A2
VR
0
1
C2
N x
N W
dW W
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na -ax
xj
0
0
x
-Nd
xj x
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线）
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
突变结： 0 x xj , N (x) Na
xj x, N (x) Nd
线性缓变结：在线性区 N(x) ax
1.1 热平衡PN结
假设为 erfc 分布且 N 0 1020 / cm3
➢
根据 给出了结边缘0 的 少n数载p流子VT浓ln度N：nd iN2 a
np np0eV VT 和
pn pn0eV VT
➢ 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于
由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二
。 极管的利用受到限制
1.6 I-V特性的温度依赖关系
当P-N结处于反向偏置时
I I 0 eV VT 1
I0
qA
Dp Lp N
d
Dn Ln N a
ni2
I rec
qAniW
2 0
eV
2VT
有
Id I rec
2 0
W
Dp Lp N d
PN结基础知识
引言
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。
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。
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）.
Dn Ln N a
ni eV
2VT
式中 ni 随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏
压（0.3V）就使 I d 占优势。
当P-N结处于反向偏置时，Id I0 ，
Id I rec
2 0 W
Dp Lp N d
Dn Ln N a
ni
随着温度增加，n
增大，也是扩散电流占优势。
i
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）。
70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工 艺包括以下主要的工艺技术：
1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的 离子注入工艺。
1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发
各种偏压条件下隧道结的能带图
简化的隧道穿透几率是
Ti
exp
8
2qme
3 B
2
3h
E B W
把式（2-63）代入（2-62）得到
Ti
exp
8W 3h
2qme
B
1
2
则隧道电流可为 I qAvth nTi
式中 vth 为隧道电子的速度。
（2-62） （2-63）
q B I
x0 xW
正偏压隧道结的势垒
1 dI Eg0 qV I dT KT 2
在室温（300K时），每增加10度，电流约增加1倍 结电压随温度线性减小，系数约为-2mV/℃
（2-70） （2-71）
（2-73）
硅二极管正向和反向两种偏压下的温度依赖关系示于图
100
10-1
I ，A10-2 10-3
150 C 25C 55C
10-4
➢考虑空间电荷区正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际I－V曲线
I （A）
103
串联电阻
实验数据 104
105
106
107
斜率 q KT
108
109
斜率 q
2 KT
1010 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
V （V）
图2-11 衬底掺杂浓度为1016cm3的硅扩散结的电流电压特性
荷区内建电势差由 0上升到 0 +V同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂
移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因
此电流是反向的且很小。
➢ 在反偏压下，耗尽层宽度为
1
W
2k
0 0
qNd
VR
2
耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果
102
Nbc 1014 cm3
10
102 Nbc 1014 cm3
10
W m
1.0
1016
1016 1.0
101
1018
102
102 101 1.0
10
102
103
VR ,V
(a)
101
1018
102
102 101 1.0
10