半导体物理 第六章

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1、第六章p-n结p-n结和能带p-n结I-V特性p-n结的电容特性p-n结的失效机理1p-n结与能带p-n结形成和杂质分布p-n结形成和类型p-n结形成方法：一块n型(或P型)半导体单晶体上，利用合金法扩散法生长法离子注入法等适当的工艺方法把P型(或n型)杂质掺入其中，使单晶体不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面处就形成了p-n结扩散法合金法1p-n结与能带p-n结类型：按杂质分布一般可以归纳为突变结和线性缓变结：突变结实际上的合金突变结两边的载流子浓度有数量级差别，称之为单边突变结。表示方法P+-NN+-P缓

2、变结杂质分布缓变结线性缓变结线性缓变结近似突变结近似-----高表面浓度浅扩散结表示方法P+-NN+-P空间电荷区单独的n和p型半导体是电中性的。产生原因当这两块半导体结合形成p-n结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区、电子从n区到p区的扩散运动。界面附近p区留下了不可动的带负电荷的电离受主，而n区一例出现了电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所构成的电荷称为空间电荷。它们所存在的区域称为空间电荷区空间电荷区空间电荷区中的电荷产生了从n区指向p区的电场－内建电场。

3、内建电场作用载流子作漂移运动。因电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起阻碍电子和空穴继续扩散的作用。E内载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，无外加电压的情况下，电子和空穴的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。没有电流流过p－n结。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区保持一定的宽度．其中存在一定的内建电场。一般称这种情况为热平衡状态下的p-n结(简称为平衡p-n结)。平衡p-n结费米能级一致载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡平衡p-n结费米能级一致回顾平衡态载流子浓度当然,类似地

4、热平衡态下无净电流通过p-n结：电子电流：平衡下电子密度电子密度随位置变化考虑爱因斯坦关系本征费米能级变化和电子电势一致：所以平衡态下各处费米能级相同；显示出电子电流和电子密度与费米能级随位置的梯度成反比；在电子电流密度一定时，电子密度大的地方，费米能级随地点变化率小，电子密度小地方费米能级随地点变化率大。同理平衡态势垒区接触电势差平衡p-n结的空间电荷区两端电势差VD，称为p-n结接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为p-n结的势垒高度。势垒高度正好补偿了n和p区费米能级之差：取n0和p0分别

5、表示n和p区的平衡电子浓度，则对非简并半导体：因VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度和禁带宽度相关平衡p-n结中载流子分布电子分布规律：在x处能量dE范围内电子数：取p区电子势能为零Ecp=0，n区电子势能为Ecn=－qVD。势垒区内任一处x的内建电势V(x)和位置相关，电子势能为Ec(x)=－qV(x)，计算出电子浓度分布：采用变量代换：Z=(E-E(x))/k0T，平衡p-n中载流子分布同样得到空穴浓度分布：载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布函数关系根据电子浓度表达式：x=xn，V(x)=VD，，即n区多子浓度。

6、x=－xp，V(x)=0，有为p区少子平衡浓度根据空穴浓度表达式在x=xn，，n区平衡少子浓度x=－xp，为p区多子平衡浓度耗尽层近似：一般情况下，势垒区杂质全部电离，但势垒区载流子的浓度远小于平衡态n区和p区多子浓度，认为载流子耗尽，空间电荷区的电荷密度就等于电离杂质浓度。设势垒区电势比n区导带高0.1eV,设势垒区高度0.7eV,该处空穴浓度为2p-n结的电流电压特性非平衡下的p-n结平衡下没有净电流通过p-n结,每一种载流子的扩散和漂移电流互相抵消，p-n结中费米能级处处相等。当p-n结两端有外加电压时，p-n结处于非

7、平衡状态。2p-n结的电流电压特性外加正向偏压(即p区接电源正极n区接负极)外加正向偏压基本降落在势垒区:因势垒区内载流子浓度很小；正向电压减弱势垒区电场，破坏原载流子扩散和漂移运动之间平衡，削弱了漂移运动，使扩散流大于漂移流。电子从n区向p区以及空穴从p区向n区的净扩散流。2p-n结的电流电压特性非平衡下的p-n结电子在边界-xp处形成高浓度电子的积累成为p区的非平衡少数载流子，形成了边界向p区内部的电子扩散流，边扩散边与空穴复合，经若干倍扩散长度后全部被复合，此区域为扩散区。正向偏压一定时，此处有稳定的电子扩散流。同理，

8、在边界xn处也有一不变的向n区内部流动的空穴扩散流。正向偏压增时，势垒降得更低，流入p区的电子流和注入n区的空穴流增大，外加正向偏压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。正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，减弱势垒区中的场强，空间电荷相应减少。故势垒区的宽度