半导体器件物理课件-pn结2

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1、第二章PN结●热平衡PN结●加偏压的PN结●理想PN结的直流电流-电压特性●空间电荷区的复合电流和产生电流●隧道电流●I-V特性的温度依赖关系●耗尽层电容●PN结二极管的频率特性●PN结二极管的开关特性●PN结击穿引言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。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。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

2、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）。1.PN结定义：引言2.几种分类：因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。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）。同质结：由同种物质构成的结（如硅）；异质结：由不同种物质构成的结（如硅和锗）；同型结：由同种导电类型的物质构成的结（如P-硅和P-锗、N-硅和N-锗）；异型结：由不同种导电类型的物质构成的结（如P-硅和N-

3、硅、P-锗和N－锗）；引言3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理后的型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片n-Si光刻胶SiO2N+（f)腐蚀SiO2后的晶片引言采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(g)完成光刻后去胶的晶片(i)蒸发/溅射金属（j）PN结制作完成(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结P-SiN-SiSiO2N+引言4.突变结与线性缓变结1)突变结：P区和N区杂质过渡陡峭单边突变

4、结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）引言4.突变结与线性缓变结2)线性缓变结：在线性区：两区之间杂质过渡是渐变的2.1热平衡PN结1.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前N型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近价带顶。当N型材料和P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。pnCEFEiEVE0yq漂移漂移扩散扩散Enypy（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图多子扩散和少子漂移达到动态平衡1.空间电荷区浓度差多子的扩散运

5、动形成空间电荷区形成内建电场促使少子漂移阻止多子扩散内建电场：空间电荷区中的正、负电荷间产生的电场，其方向由n区指向p区。平衡p-n结：载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所达到的动态平衡（p-n结的净电流为零）。++++++------空间电荷区内建电场形成扩散电流并增加空间电荷区的宽度平衡时平衡p-n结形成漂移电流并减小空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度也达到稳定，电流为零多子的扩散运动少子的漂移运动2.1热平衡PN结2.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）恒定费米能级的条件是由电子

6、从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移在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。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叫做空间电荷区。（c）与（b）相对应的空间电荷分布2.1热平衡PN结3.几个概念耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。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

7、（用表示）。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。中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性，因此PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。2.1热平衡PN结4.空间电荷区内建电势差(N型一边和P型一边中性区之间的电位差）方法一：（中性区电中性条件）由一维泊松方程：取费米势为零基准时：（2-1-2b）由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：即：（2-1

8、-4）2.1热平衡PN结方法一：（中性区电中性条件）（2-1-5）对于N型的中性区，假设，。即，连并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N区中性区电势为：采用同样的方法，得到P型中性区的电势为：（2-1-6）因而，在N型一边与P型一边中性区之间的电位差为（2-1-7）2.1热平衡PN结方法二：（费米能级恒定）从费米能级恒定的观点来看，热平衡PN结具有统一的费米能级。形成PN结之前N区费米能级比P区费米能级高。形成PN结之后