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《(工学)半导体物理2010第六章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第六章pn结在同一块半导体材料中若同时有两种不同的导电类型时，交界面处形成了pn结。pn结是很多半导体器件如结型晶体管、集成电路等的基本结构，了解和掌握其性质具有重大意义。本章重点讨论了pn结的形成过程和能带情况，并对其电流电压特性、电容效应及击穿特性等性质进行了介绍。1§6.1pn结及其能带图§6.1.1pn结中的杂质分布～在一块n型(或p型)半导体单晶上，用合金法、扩散法、生长法、离子注入法等方法将另一种导电类型的杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在两者的交界面处就形成了pn结.2§6.1pn结及
2、其能带图§6.1.1pn结中的杂质分布根据pn结中杂质分布的不同,pn结可分为突变结和线性缓变结两种.⒈突变结合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结,结中杂质分布表示为:边界两侧可认为只含有一种导电类型的杂质.3§6.1pn结及其能带图§6.1.1pn结中的杂质分布⒉线性缓变结低表面浓度的深扩散结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的,为缓变结.若杂质分布可用x=xj处杂质分布曲线的切线表示,则称为线性缓变结,可表示为:式中的αj是x=xj处切线的斜率,称为杂质浓度梯度.45§6.1pn结及其能带图§6.1.2平衡pn结的形
3、成§6.1pn结及其能带图§6.1.2平衡pn结的形成载流子的两种运动:扩散运动:多子在浓度差作用下定向移动漂移运动:在内建电场的作用下载流子的定向移动,阻碍了扩散运动的进行.空间电荷区(pn结、势垒区、耗尽层):由带正电的电离施主和带负电的电离受主杂质构成,存在内建电场，电场方向由n区指向p区.当pn结达到平衡时,净电流为零,空间电荷区宽度一定。中性区+空间电荷区+中性区6§6.1pn结及其能带图§6.1.2平衡pn结的形成空间电荷区内的电势分布:由于内建电场的存在,空间电荷区内电势V(x)由n区向p区不断降低,而电子的电势能-
4、qV(x)则由n区向p区不断升高（电势越高的地方电子的能量越低）。7返回§6.1pn结及其能带图§6.1.3平衡pn结的能带图8返回1返回2返回3§6.1pn结及其能带图§6.1.3平衡pn结的能带图当两块半导体形成pn结时,电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区。当pn结处于平衡状态时,两者的费米能级达到一致.此时，n区整个能带比p区整个能带低,空间电荷区内的能带产生弯曲,弯曲的高度即为qVD.当电子从势能低的n区向势能高的p区运动时,必须克服这一势能高坡,对空穴也一样,所以也称空间电荷区为势垒区.平衡pn结中费米能级处处
5、相等恰好标志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消,没有净电流流过pn结,这一结论也可从电流密度方程式推出。9§6.1pn结及其能带图§6.1.3平衡pn结的能带图证明如下:考虑电子电流，流过pn结的电子总电流密度为:由爱因斯坦关系,则由平衡非简并半导体电子浓度公式:10§6.1pn结及其能带图§6.1.3平衡pn结的能带图得到:而本征费米能级Ei的变化与电子电势能-qV(x)的变化一致,所以:11§6.1pn结及其能带图§6.1.3平衡pn结的能带图带入后得到电子总电流密度:同理,空穴总电流密度为:12§6.1pn结及其能带
6、图§6.1.3平衡pn结的能带图上两式表示了费米能级随位置的变化和电流密度之间的关系.对于平衡pn结,Jn和Jp均为零,因此有:上述关系式还说明当电流密度一定时,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。13§6.1pn结及其能带图§6.1.4pn结接触电势差平衡pn结的空间电荷区两端的电势差VD称为pn结接触电势差或内建电势差,相应的qVD称为pn结势垒高度.从能带图中可以看出，势垒高度正好补偿了两个半导体的费米能级的差异,即令nn0和np0分别表示n区和p区平衡电子浓度,则14§6.1pn
7、结及其能带图§6.1.4pn结接触电势差两式相除取对数得:若半导体处于强电离区,则接触电势差VD和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。一定温度下,突变结两边掺杂浓度越高,VD越大;禁带宽度越大，ni越小，VD也越大.15§6.1pn结及其能带图§6.1.5pn结载流子分布取p区电势为零,并且p区导带底能量为零,势垒区中一点x的电势V(x)为正值,且越接近n区的点电势越高.到势垒区靠近n一侧边界xn处的电势最高为VD,用xn和-xp分别代表n区和p区势垒区的边界.势垒区内点x处的电子的附加电势能为E(x)=-qV(x).
8、对非简并半导体，考虑内建电场的附加电势后:16§6.1pn结及其能带图§6.1.5pn结载流子分布当x=xn时,V(x)=VDn(xn)=nn0当x=-xp时,V(x)=0而n(-xp)为p区中平衡少数载流子---电子的浓度np0,因此可得到空间电
