半导体物理_第六章_pn结

第六章PN结本章主要内容6.1pn结及其能带图；6.2pn结电流、电压特性；6.3pn结电容；6.4pn结击穿特性；6.5pn隧道特性；pn相关器件认识主要面向计算机主板、硬盘驱动器、手机充电器、紧急照明以及笔记本电脑等应用。蓝紫光半导体太阳能电池LED天花灯LED地灯LED球泡灯LED球泡灯LED射灯LED手电筒LED手电筒LED花园灯一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，在其交接面处形成pn结。pn结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。6.1pn结及其能带图6.1.1pn结的形成及其杂质分布高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度的p型薄层。p型杂质浓度NA,n型杂质浓度ND,特点：交界面浓度发生突变。在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。杂质浓度从p到n逐渐变化，称为缓变结。j为杂质浓度梯度。pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷(不可移动)，所在的区域为空间电荷区。产生漂移电流热平衡的pn结6.1.2空间电荷区电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp最后，pn具有统一费米能级EF,pn结处于平衡状态。6.1.3pn结能带图能带发生整体相对移动与pn结空间电荷区中存在内建电场有关。随内建电场(np)不断增大，V(x)不断降低，电子电势能-qV(x)由n到p不断升高P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。直到具有统一费米能级pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致动态平衡时qTkDnn0同理，空穴电流密度为：dxdEkTqDpJFpp0qTkDnn0nnFnJdxdEppFpJdxdE电流密度与费米能级的关系对于平衡的pn结，Jn,Jp均为零，因此，EF=常数当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小，而载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大。dxdEkTqDpJFpp0VD称为pn结的接触电势差或内建电势差.qVD为pn结的势垒高度.平衡时pn结的费米能级处处相等.qVD=EFn-EFp)exp(00TkEEnniFnin)exp(00TkEEnniFpipnn0、np0分别为平衡时n、p区的电子浓度)(1ln000FpFnpnEETknn6.1.4pn结接触电势差)(1ln000FpFnpnEETknnAipDnNnnNn200,qVD=EFn-EFp)(ln)(1000pnFpFnDnnqTkEEqV在一定温度下，掺杂浓度越高，VD越大；ni越小，VD越大势垒高度平衡时pn结，取p区电势为零，势垒区一点x的电势V(x)，x点的电势能为E(x)=-qV(x)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6.1.5pn结载流子分布因为E(x)=-qV(x)DcncnFcnqVETkEENn),exp(00)exp(00TkEEnnxcnnx当X=Xn时，V(x)=VD,n(x)=nn0当X=-Xp时，V(x)=0,n(-xp)=nn0)exp()(000TkqVnnxnDnppn(-xp)p区的少数载流子浓度。))(exp(00TkqVxqVnDnX点空穴浓度为，))(exp(00TkxqVqVppDnxpn0是平衡时n区的少子浓度当X=Xn时，V(x)=VD,p(xn)=pn0当X=-Xp时，V(x)=0,p(-xp)=pp0)exp()(000TkqVppxpDnpp)exp(000TkqVppDpn同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从波尔兹曼分布函数的关系。1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与内建电场方向相反。势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流子浓度很大，电阻很小；产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小；载流子扩散流〉漂移流，净扩散流〉0；宽度减小；势垒高度降低,高度从qVD降到q(VD-V)6.2pn结电流电压特性6.2.2非平衡状态下的pn结正向偏移下，非平衡状态N区电子扩散向P区；P区空穴扩散向N区非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中，不断与多子复合，直到复合完毕，这段扩散过程称为扩散长度。一定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp’边界的电子浓度时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。PP’处电子浓度〉P区空穴浓度，形成向P区的电子扩散流。注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界面的总电流是相等的。只是电子电流和空穴电流的比例不同。总电流=扩散电流+漂移电流扩散电流〉漂移电流反向偏移下，非平衡状态外加反向电场与内建势场方向一致。现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；宽度增大；势垒高度升高，高度从qVD升高到q(VD+V)；使漂移电流〉扩散电流少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被势垒区强场驱向p区，p区边界pp’处的电子被驱向n区。这些少数载流子被电场驱走，内部的少子就来补充。反向电流=nn’区少数载流子电流+pp’少数载流子电流2.外加直流电压下，pn结的能带图外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须用准费米能级EFn、EFp代替平衡时的统一费米能级。能带特征：1.EFp在p区及势垒区为水平线，在空穴扩散区(nn’到Lp区)为斜线；2.EFn在n区及势垒区为水平线，在电子扩散区(pp’到Ln区)为斜线；EFp、EFn在扩散区为斜线的原因：由于复合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐减小。扩散区比势垒区大，准费米能级的变化主要发生在扩散区，在势垒区中的变化忽略不计。正向偏压下的特征：1.p、n区具有各自的费米能级EFn、EFp；2.有净电流流过pn结；3.正向偏压下，势垒降低qV;4.qV=EFn-EFp；5.EFn位置高于EFp反向偏压下pn结的能带结构能带特征：EFn、EFp也发生了偏离，但EFP位置高于EFn；6.2.2理想pn结模型及其电流、电压方程理想pn结模型：(1)小注入；(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，耗尽层外是电中性的，注入的少数载流子做纯扩散运动；(3)通过耗尽层的电子、空穴电流为常数，忽略耗尽层中载流子的产生及复合作用；(4)玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。1.pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：)exp(0TkEEnniFnip0exp()iFppiEEpnkT)exp(02TkEEnpnFPFnipp在pp’边界处，x=-xp,qV=Efn-Efp,)exp()()(02TkqVnxpxnipppp2000,)(ipppppnnppxp由于)exp(00TkqVnp)exp()exp()()(00202TkqVpnTkqVxpnxnpippipppp’边界注入的非平衡少数载流子浓度为0)()(pppppnxnxn]1)[exp(00TkqVnp非平衡少数载流子浓度是电压的函数。)exp(00TkqVqVnDn同理，nn’边界注入的非平衡少数载流子浓度为0)()(nnnnnpxpxp]1)[exp(00TkqVpp)exp()exp()(0000TkqVqVpTkqVpxpDpnnn非平衡少数载流子浓度是电压的函数。稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程0022pnnxnnnxppppdxEdpdxpdEdxpdD小注入时很小，可略去。dxEdx/0022pnnpppdxpdDN型扩散区Ex=0连续性方程变为：方程的通解为：)exp()exp()()(0ppnnnLxBLxApxpxp0()()exp()exp()nnnppxxpxpxpABLL边界条件：x,pn()=pn0,X=xn,)exp()(00TkqVpxpnnn0),exp(]1)[exp(00BLxTkqVpApnn)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn同理：外加正向偏压下，非平衡少数载流子在两边扩散区的分布)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn讨论：1.非平衡少数载流子浓度一定，在扩散区形成稳定扩散，按指数规律衰减。当V一定，在x=xn和x=-xp边界处2.加反向偏压下，如果qVk0T,0exp()0qVkT对n区：)exp()()(00pnnnnnLxxppxpxp在x=xn处0)(nnpxp0)(xp即在n区内部：xLp处)exp()()(00pnnnnnLxxppxpxp0)exp(pnLxx0)(nnpxp则2.外加偏压下电流密度的关系小注入时，耗尽层外的扩散区不存在电场，在X=Xn处，空穴扩散电流密度为nxxnpnpdxxdpqDxJ)()(00[exp()1]pnpqDpqVLkT同理，在X=-Xp处，电子扩散电流密度为pxxpppndxxdnqDxJ)()(00[exp()1]npnqDnqVLkT)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn理想pn结，忽略势垒区内的复合-产生作用，通过pp’界面的空穴电流密度为Jp(-xp)=通过nn’’界面的空穴电流密度为Jp(xn);通过pn结的总的电流密度为JJ=Jn(-xp)+Jp(-xp)=Jn(-xp)+Jp(xn)00()[exp()1]pnpnpqDpqVJxLkT]1)[exp()(00TkqVLnqDxJnpnpn]1))[exp((000TkqVLpqDLnqDJpnpnpp]1))[exp((000TkqVLpqDLnqDJpnpnpp)(00pnpnppsLpqDLnqDJ令]1)[exp(0TkqVJJs理想pn结的电压-电流方程，又称为肖克莱方程。3.pn结的单向导电性]1)[exp(0TkqVJJs正向偏压下，电流密度随电压V指数式迅速增大室温下，k0T=0.026V,1)exp(0TkqV)exp(0TkqVJJs故反向偏压下，V0,当q|V|k0T时，0)exp(0TkqVsJJ故)(00pnpnppLpqDLnqD反向电流密度为常量，与外加电压无关，-Js为反向饱和电流密度4.温度对电流密度的影响—强烈依赖温度反向电流密度：正向电流密度：正向电流密度随温度升高而增加。前面的温度项温度升高缓慢增加，后项随温度升高迅速增大Eg越大的半导体，Js变化越快。6.2.3影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素实验表明，理想电流电压特性方程和小注入下锗pn结的实验结果较符合；但与硅pn结实验结果偏离较大。偏离方面：1.正向偏压:正向电流小时，理论值实验值；正向电流大时，指数形式。2.反向偏压实验值理论值，反向电流不饱和，而是随反向偏压增大而略有增大。引起偏离的原因1.势垒区产生电流平衡时，势垒区产生率=复合率反向偏压时，势垒区内电场加强，由于热激发作用，复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被电场驱走了。使势垒区产生率〉复合率。势垒区的产生电流IG,设净产生率为G,结面积A,势垒宽度XD,IG=qGXDA势垒区内势垒区内净的复合率净的复合率U=-G由于IG=qGXDA2.势垒区复合电流正向偏压时，注入到p区电子与n区的空