半导体物理北交经典课件考研必备-第六章pn结

第六章半导体界面及接触现象－pn结半—半接触一、p-n结的形成和杂质分布p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn结。pn结利用控制杂质分布的工艺方法来实现1．合金法用合金法制备的p-n结一般为突变结；xNNAND突变结的杂质分布xjP+n结pn用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。2．扩散法0xN(x)NA(x)NDxj扩散结杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定pn线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用x=xj处的切线近似表示。xxjND-NA线性缓变结近似扩散结的杂质分布但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似0xNANDN(x)突变结近似扩散结的杂质分布xj{突变结缓变结pn结{合金结高表面浓度的浅扩散结（p+n或n+p)根据杂质分布低表面浓度的深扩散结二、平衡p-n结的特点1．平衡p-n结的形成P型材料的多子用ppo表示，少子为npo，N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示PN°•_____+++++EJ扩J漂空间电荷空间电荷区（势垒区）内建电场阻碍载流子继续扩散平衡后：J扩=J漂形成恒定的电场，称为内建场，它存在于结区。处于热平衡状态的结称为平衡结。2．平衡p-n结的能带及势垒nFpFinipEEEnE)()()(E:)(E:pFF型型当二者接触后，电子由NP，空穴由PN,(EF)n，(EF)p(EF)n=(EF)p=EFJ扩=J漂有一恒定的电场E，方向由NPPNEFqVDEVECnpEi(EF)p(EF)n平衡pn结能带图VD－－平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差qVD－－相应的电子电势能之差，即能带的弯曲量，称为pn结的势垒高度势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差，使平衡pn结的费米能级处处相等。pFnFDEEqV)()(0xxnx-xpV(x)VD平衡pn结中电势取p区电势为零对电子：P区电势比n区电势高DDnpqVqVxqVxqV0)]([)(xqV(x)平衡pn结中电势能EvppnEFEvnEcn-xpoxxnEcp-qVD假设：P区：Ec=EcpEv=Evpno=npopo=ppoN区：Ec=EcnEv=Evnno=nnopo=pnoKTEEcpoFcpeNnKTqVKTEEcKTEqVEcDFcnFDcneeNeN同质p-n结:KTEEcnoFcneNn3.pn结的接触电势差KTqVnpDenn00平衡时：200ippnpn200lninpDnnpqKTVppo=NA,nno=ND2lniDADnNNqKTV00lnpnDnnqKTVT一定，NA,ND,则VDEg,ni,则VD例：若NA=1017cm-3,ND=1015cm-3则得室温下Si的VD=0.70VGe的VD=0.32Vpn结平衡时特点势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消整个pn结出现统一的费米能级能带弯曲－－势垒高度流过pn结的电子电流密度（漂移＋扩散）xEnJFnnddnnFnJdxdE或流过pn结的空穴电流密度（漂移＋扩散）xEpJFppddppFpJdxdE或3.流过pn结的电流密度表示费米能级随位置的变化和电流密度的关系对平衡pn结，Jn=Jp=0常数FFEdxdE,0J不变，载流子浓度大的地方，小dxdEF载流子浓度小的地方，大dxdEF4.平衡时pn结载流子分布x处的电子浓度KTxqVpDnenKTqVxqVnxn)(00])(exp[)(x处的空穴浓度KTxqVpDnepKTxqVqVpxp)(00])(exp[)(设V(xn)=VD,则00)(,)(nnnnpxpnxnV(xp)=0,则00)()(ppppnxnpxp结区边界处势垒区又叫耗尽层其中载流子浓度很小空间电荷密度等于电离杂质浓度平衡pn结中载流子分布np0nn0pp0pn0nnppn(x)三、非平衡p-n结1．正偏p-n结的能带(P+,N-)PNΕ内+－qVDq(VD－V)正向偏压时pn结势垒的变化外加正偏压基本落在势垒区势垒区宽度P电子扩散区结区空穴扩散区Nxp’xpxnxn’非子的电注入pn结正偏时，外场消弱势垒区内建电场，势垒区扩散占优势，使p区和n区有少子注入，形成正向扩散电流。2．正偏时载流子的运动和电流成分JnJpxJxn’xnxpxp’通过pn结的总J：J=Jp扩（n区边界）+Jn扩（p区边界）3．正偏下的电流密度1KTqVseJJ其中：ponnnoppsnLqDpLqDJpn结的正向电流电压关系式对于p＋n结：)1(0KTqVpnpeLpDqJ对于pn＋结：)1(0KTqVnpneLnDqJ例如，室温：KT=0.026eVVqKT026.0当V=0.26V：110eeKTqVKTqVseJJVJJspn结的J－V曲线4．反偏时的p-n结(P－,N＋)qVDq(VD－V)反向偏压时pn结势垒的变化PNΕ内－＋V0势垒区漂移扩散势垒区变宽漂移流大于扩散流由漂移作用形成的反向电流很小（p区电子和n区空穴少）通过pn结的总反向J：J=Jp扩（n区边界少子）+Jn扩（p区边界少子）1KTqVseJJ|V|0KTqVeJ-Js00pnnnppsnLqDpLqDJJJs为反向饱和电流V0反向偏压电流饱和“－”表示J与正向时相反反向电流密度饱和，与外加电压无关VJJspn结的J－V曲线pn结具有单向导电或整流效应5.温度对pn结电流密度的影响1KTqVseJJponnnoppsnLqDpLqDJ对反向电流：KTEsgeJJT,Js迅速增大且Eg越大的半导体，Js变化越块对正向电流：KTVVqTJg)(exp023为常数Vg0为0k时导带底和价带顶的电势差T,正向J6.理想pn结模型小注入条件－注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多突变耗尽层条件－注入的少子在p区和n区是纯扩散运动通过耗尽层的电子和空穴电流为常量－不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用玻耳兹曼边界条件－在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布7.pn结电流电压特性偏离理想方程的因素表面效应势垒区中的产生及复合大注入条件串联电阻效应势垒区的产生电流热平衡时载流子的产生率＝复合率反向偏压载流子的产生率复合率总反向电流密度J反＝J扩＋J产以p+n结例：Ge:Eg小，ni2大，反向电流中扩散电流主要Si:Eg大，ni2小，反向电流中势垒产生电流主要V,XD,JG不饱和，J反缓慢增加2DiGXqnJ势垒区的产生电流XD势垒区宽度反向扩散电流密度DpipNLnqDJ2＝反扩势垒区的复合电流正向偏压，从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成了另一股正向电流。总正向电流密度J正＝J扩＋Jr复合电流密度JrKTqVXqnJDir22PNΕ内+－)(nprr)2exp(2)exp(KTqVXKTqVNnDqnJpDDippi＝正正向电流密度的经验公式21,expmmKTqVJ正时和KTqVnppn00扩散电流与复合电流之比与V有关KTqVJJr2exp扩V，J扩/Jr迅速，低V时,JrJ扩V，J扩/Jr迅速，高V时,JrJ扩J/Js实际pn结的电流电压特性大注入情况正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近或超过该区多子浓度的情况例如：p+n结在大注入情况下的电流电压关系)2exp()2(KTqVLnDqJpip四、pn结电容低频，pn结有整流作用；高频，无整流作用pn结电容破坏整流特性pn结电容包括：势垒电容和扩散电容1.势垒电容平衡pn结势垒区正偏时势垒区变窄正偏V,空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区正偏V,空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出反偏V,空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出反偏V,空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区势垒区的空间电荷数量随外加V而变化，和一个电容器的充放电作用相似，这种pn结的电容效应称为势垒电容。势垒电容是可变电容，可引入微分电容的概念来描述VQCddC随V变突变结的势垒电容（反向偏压）))((20VVNNNqNACDADDArTVD是突变结接触电势差A是pn结面积XD势垒宽度DADArDDNNNNqVX02突变结的势垒电容（正向偏压）DDADArTVNNNqNAC)(240DrTXAC0反偏时突变结势垒电容等效为平行板电容器的电容线性缓变结的势垒电容（反向偏压）3202)(12VVqACDjTrj杂质浓度梯度DrTXAC030)(12jDrDqVVX反偏时线性缓变结势垒电容等效为平行板电容器的电容突变结和线性缓变结的CT与V有关制成变容器件测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度2.扩散电容P电子扩散区结区空穴扩散区Nxp’xpxnxn’+_正偏V,势垒宽度扩散区内,注入进来的空穴和电子数目增加正偏V,势垒宽度扩散区内,注入进来的空穴和电子数目减少)exp((002KTqVKTLpLnAqCpnnpD低频、正向偏压时，总的微分扩散电容正偏时，由于少子的注入，在扩散区内,都有一定的数量的少子的积累，且其浓度随正向偏压的变化而变化，形成了扩散电容对p+n结KTqVkTLpAqCpnDexp02只适用于低频情况大正向偏压时，扩散电容起主要作用VBR五、p-n结击穿特性反向电压使结区电场达105V/cm，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现象称为p-n结的击穿，对应的电压称为击穿电压，用VBR表示。VJJs击穿时，载流子数目增加，电流增大击穿机理雪崩击穿隧道击穿热电击穿1．雪崩击穿雪崩击穿一般发生在缓变结中，而且掺杂浓度比较低。2．隧道击穿•EcnEcpEvp212212pn+（齐纳击穿）载流子的倍增大反向偏压下pn结的带图Eg反向V,势垒，能带越倾斜Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。3．热电击穿热击穿容易发生的条件是Eg小，散热不好的器件。T,Js按指数规律迅速上升六、隧道结重掺杂1019/cm3，这种强p型、强n型材料形成的p+-n+结称为隧道结。1．隧道结的能带结构EcEvEF+pnxDEg－热平衡pn2．隧道结的伏安特性JVJpJvVvVp054321EcpEvpEFEg(1)平衡隧道结PN(2)正偏，电压0＜V＜VpEvpEgEcpEFp正向隧道电流EF上空态，EF下占满J=0EcnEvnEvnEcnV,n区能带相对于p区升高qV。两边能量相等的量子态中，pnEFnEFp上空态，EFn下占满EvpEgEcp(3)当V=Vp时(EF)p=EcnEFpEvnEcnnp结两边能量相同的量子态达最多EFnEvpEgEcp(4)正偏V继续，(EF)nEvp，(EF)pEcnEFPEvnEcnEFnV,势垒高度，P区禁带结两边能量相同的量子态减少(5)当V=VV时，Ecn=EvpEvpEgEcp(6)V再，扩散电流为主，与普通的p-n结一样谷值电流EFPEFnEcnEvn结两边无能量相同的量子态(7)加反向电压，势垒加高反向隧道电流EcpEvpEcnEvnEFnEFP结两边能量相同的量子态范围内：EFp下满态EFn上空态隧道结利用多子隧道效应工作隧道二极管的噪声低隧道二极管的工作温度范围大隧道二极管可在极高频率下工作用处微波放大、高速开关、激光振荡源等