第六章 pn结

半导体物理学1第六章pn结6.1pn结形成及平衡pn结6.2pn结电流-电压特性6.3pn结电容(Capacitance)6.4pn结击穿(Berakdown)6.5pn结隧道效应半导体物理学26.1pn结形成及平衡pn结AlloyedJunctions(合金结)DiffusedJunctions(扩散结)所谓pn结是p和n型半导体接触形成的基本结构6.1.1pn结的形成实际的PN结是利用掺杂的补偿效应形成的1.合金2.扩散3.注入4.外延生长合金温度降温再结晶合金法半导体物理学3扩散法半导体物理学4离子注入半导体物理学5外延生长工艺“外延”指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸而成，故称“外延层”。半导体物理学6半导体物理学7半导体物理学8突变结线性缓变结两种理想的pn结构：突变结与缓变结半导体物理学9当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为pn结.1.空间电荷区(Spacechargeregion)的形成6.1.2平衡状态下的pn结半导体物理学10刚接触，扩散＞＞漂移（达到动态平衡）阻挡层扩散=漂移内建电场漂移耗尽区Depletionregion空间电荷区Spacechargeregion半导体物理学11EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。2.能带图(Enerybanddiagram)势垒区VD：接触电势差半导体物理学12nVPVnCPCDEEEEqV)()()()(3.接触电势差(TheContactPotential)VD平衡时FpFnEE势垒高度半导体物理学13TkEEpnFpFnenn00000000ln0pnDTkqVpnnnTkqVennD平衡时TkEEiniFnenn00n型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为TkEEipiFpenn002000000lnlnipnpnDnpnqTknnqTkVApDnNpNn00,全电离非简并20lniADDnNNqTkV*势垒高度~ND、NA半导体物理学144.空间电荷区宽度(Spacechargeregionwidth)突变结QxqNxqNnDpAQ是势垒区单位面积上所积累的空间电荷数半导体物理学155载流子分布(Carrierdistributions)TkxqVqVnDenxn0)(0TkxqVqVnDepxp0)(00nn0np0pn0pp)(xn半导体物理学16半导体物理学176.2p-n结电流-电压特性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。I-Vcharacteristicofap-njunction假设: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。半导体物理学18外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。外加电场削弱了漂移运动，使:漂移扩散(1)正向偏置（Forwardbias）这种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。A:电流半导体物理学19半导体物理学200nn0pnSpacechargeregionNeutralregionDiffusionregion半导体物理学21分析载流子的运动:当p区接电源正极,n区接电源负极时,pn结外加正向偏压.势垒区内载流子浓度很低,电压主要落在势垒区.由于势垒区电场减弱，削弱了载流子的漂移运动，使扩散电流大于漂移电流,产生了电子从n区向p区及空穴从p区向n区的净扩散流.电子通过势垒区扩散入p区,在边界pp’(x=-xp)处形成电子的积累,成为p区的非平衡少数载流子,使pp’处电子浓度比p区内部高,形成了从pp’向p区内部的电子扩散流.边扩散边与p区的空穴复合,经过比扩散长度大若干倍的距离后,全部被复合,这一段区域称为电子扩散区.在一定的正向偏压下,单位时间内从n区来到pp’处的非平衡少子浓度是一定的,并在扩散区内形成一稳定的分布.所以，当正向偏压一定时,在pp’处就有一不变的向p区内部流动的电子扩散电流。同理,在边界nn’处也有一不变的向n区内部流动的空穴扩散流,非平衡的空穴边扩散边复合的区域称为空穴扩散区。n区的电子和p区的空穴都是多数载流子，分别进入p区和n区后成为非平衡少数载流子.当增大正向偏压时,势垒降的更低,增大了流入p区的电子流和流入n区的空穴流.这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入,也称正向偏压下的少子注入.p型中性区+电子扩散区+势垒区+空穴扩散区+n型中性区半导体物理学22这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。P区空穴向n区扩散——空穴扩散电流n区电子向P区扩散——电子扩散电流。半导体物理学23pnJJJ根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。)()(PPPnxJxJJ考虑-xp截面：忽略了势垒区载流子的产生和复合：)()(nPPnxJxJJ半导体物理学24B:能带半导体物理学25注意的问题:(1)准费米能级EFn和EFp的出现在有非平衡载流子存在的区域内，必须用电子准费米能级EFn和空穴准费米能级EFp代替EF,包括势垒区和两侧的扩散区.最外侧的p型和n型中性区仍然有统一的费米能级.(2)准费米能级EFn和EFp随位置不同而变化前面已经证明，费米能级随载流子浓度而变化.在空穴扩散区内,EFn基本不变,EFp由边界nn’向内部为一条斜线,到比Lp大很多的地方时,两个准费米能级重合;在电子扩散区内,EFp基本不变,EFn由边界pp’向内部为一条斜线,到比Ln大很多的地方时,两个准费米能级重合.由于扩散区比势垒区大很多,准费米能级的变化主要发生在扩散区,所以在势垒区中两个准费米能级基本保持水平.半导体物理学26正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布C:载流子浓度分布半导体物理学27TkqVpnTkqVnpDDeppenn000000加正向偏置V后，结电压为（VD-Vf），TkqVpTkVVqnppffDenenxn000)(0TkqVnTkVVqpnnffDepepxp000)(0半导体物理学28在xp处注入的非平衡电子浓度为：1000TkqVpppppfennxnxn在xn处注入的非平衡空穴浓度为：1000TkqVnnnnnfeppxpxpxpLDqdxxpdqDJpppp100TkqVnppnppnpfepLDqxpLDqxJ半导体物理学29同理：100TkqVpnnpnfenLDqxJ11)()(0000TkqVsTkqVppnnnpnPPnffeJeLDpLDnqxJxJJ-------肖克莱方程TkqVf0一般TkqVsffeJJnp0结的正向电流半导体物理学30外加电场Vr与内建电场方向一致扩散漂移(2)反向偏置（Reversebias）VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。半导体物理学31半导体物理学32半导体物理学3310TkqVsrreJJ类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度那么T,kqV一般0rsrJJ式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。Jr与反向电压Vr无关，是因为当反向电压V的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。半导体物理学34p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：1eJJTkqVs0正向：V=Vf反向：V=-Vr（3）I-Vcharacteristicofap-njunction单向导电性---整流温度影响大)1(000TkqVppnnnpeLDpLDnqJ半导体物理学35（4）影响p-n结伏-安特性的主要因素：产生偏差的原因：a.正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。b.在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。半导体物理学36p-n结的直流伏-安特性表明：1.具有单向导电性。2.具有可变电阻性。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。p-n结的交流特性表明:p-n结还具有可变电容的性质半导体物理学376.3p-n结电容(Capacitance)p-n结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。（1）势垒电容CTQXVD由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容也称结电容（Junctioncapacitance）半导体物理学38荷量)变化ΔQ(扩散区内储存电ΔV变化由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。(2)扩散电容CD也称电荷存储电容（chargestoragecapacitance）半导体物理学39pn结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化，为可变电容，定义微分电容的概念来表示：当pn结在一个固定直流偏压V的作用下，叠加一个微小的交流电压dV时，这个微小的电压变化dV所引起的电荷变化dQ，称为这个直流偏压下的微分电容，即pn结的直流偏压不同，微分电容也不同。dVdQC半导体物理学40⒈突变结势垒区中的电场、电势分布解突变结势垒区中的泊松方程,得到势垒区中的电场为：在平衡突变结势垒区中，内电场强度呈线性分布，其中xn、xp为势垒区在交界两侧的宽度。单侧高掺杂的pn结（单边突变结）势垒区主要发生在浓度低的一侧.)0(,)0(,0201nrnDprpAxxxxqNxxxxxqNx半导体物理学41势垒区中的电势分布呈抛物线形，可表示为：)0(,2)0(,20022200221nrnDrnDDprpArpAxxxxqNxxqNVxVxxxxqNxxqNxV⒉突变结的势垒宽度XD突变结接触电势差为：突变结的势垒宽度为：0222rnDpADxNxNqVDADDArDNqNVVNNX02半导体物理学42⒊突变结势垒电容外加反向偏压时，突变结势垒电容可表示为：此时的势垒电容等效为一个平行板电容器，是随外加电压而变化的非线性电容。DrDDADArTXAVVNNNqNAC002半导体物理学436.4p-n结的击穿(Berakdown)齐纳击穿雪崩击穿电击穿热击穿击穿在反向偏置下，当反向电压很大时，p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性--p-n结的击穿。半导体物理学44p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对——碰撞电离。1、雪崩击穿(Avalancheberakdown)连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。半导体物理学452、齐纳击穿(Zenerberakdown)或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.XDXAB半导体物理学463、热电击穿当pn结加反向偏压时，反向电流引起热损耗