pn结 半导体物理_第七

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1、第七章PN结本章学习要点:1.了解PN结的结构及空间电荷区的概念;2.掌握零偏状态下PN结的特性,包括内建电势、内 建电场以及空间电荷区宽度等;3.掌握反偏状态下PN结的空间电荷区宽度、内建电 场以及PN结电容特性;4.了解非均匀掺杂PN结的特性;§7.1PN结的基本结构1.PN结的基本结构PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的,其接触界面称为冶金结界面。2.制造PN结的方法:(1)外延方法:突变PN结; (2)扩散方法:缓变PN结; (3)离子注入方法:介于突变结与缓变结之间; 为简单起见,首先讨论突变结

2、。理想突变结:P型区和N型区分别均匀掺杂?P型区掺杂浓度为Na?N型区掺杂浓度为Nd冶金结是面积足够大的平面理想突变结杂质浓度曲线3.PN结空间电荷区的形成两种材料接触形成PN结时,冶金结两侧将出现载流子密度差,形成可动载流子的扩散流: ?*电子离开N型区向P型区扩散,在N型区留下带正电荷的施主离子。?*空穴离开P型区向N型区扩散,在P型区留下带负电荷的受主离子。离化的杂质中心固定不动,出现净正、负电荷,该区域即为空间电荷区。空间电荷区:半导体带电的区域。空间电荷区也称为势垒区;过渡区;耗尽区;空间电荷区将形成内建电场。内建

3、电场引起载流子的漂移运动,漂移运动与扩散运动的方向相反,最后达到平衡状态。空间电荷区及内建电场的形成过程示意图达到热平衡状态时,扩散流等于漂移流平衡PN结的特点:势垒区内电子(空穴)的扩散和漂移抵消。整个pn结具有统一的费米能级。能带弯曲--势垒高度。达到平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级§7.2零偏状态下的PN结零偏状态:V外=01.内建电势差由PN结空间电荷区的形成过程可知,在达到平衡状态时,PN结空间电荷区中形成了一个内建电场,该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差。 从能量的角度来看,在N型区和P型区

4、之间建立了一个内建势垒,阻止电子进一步向P型区扩散,该内建势垒的高度即为内建电势差,用Vbi表示。内建势垒的高度:影响势垒高度的因素:掺杂浓度;温度;2、电场强度耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离。右图所示为突变结的体电荷密度分布。结论:1)E≤0;2)电场强度为直线分布3)电场强度最大值在x=0处;结论:1)E≤0;2)电场强度为直线分布3)电场强度最大值在x=0处;最大电场强度由PN结界面处电场连续可得:结论:在PN结界面两侧,N型区中单位面积的正电荷与P型区中点位面积的负电荷相等。在PN结界面处电场达到最大,最大电

5、场为:内建电势:将内建电场对空间电荷区进行积分,即可求得空间电荷区中的电势分布。在P型区一侧有:设置电势零点为:由此可得:P型区中一侧空间电荷区中的电势分布为:PN结空间电荷中电势分布:电子的电势能可表示为:可见,电子的电势能与电势的变化类似。w3空间电荷区的宽度将带入PN结内建势垒公式:影响空间电荷区宽度的因素:掺杂浓度:主要取决于低掺杂区的浓度;温度;§7.3反偏状态下的PN结当在PN结的两边外加一个电压时,此时整个PN结就不再处于热平衡状态,因此整个PN结系统中也就不再具有统一的费米能级。 反向偏置:PN结的N型区相对于

6、P型区外加一个正电压VR。外加反偏电压VR时的PN结的能带图外加电场存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉,下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。此时,PN结上总的势垒高度增大为:1.空间电荷区宽度与PN结中的电场当PN结两侧外加反向偏压VR时,PN结内部空间电荷区中的电场增强,因此PN结界面两侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽。利用前面推导出的空间电荷区宽度公式,只需将公式中的PN结内建势垒代换为反偏PN结上总的势垒高度,即:结论:PN结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压VR的增大而不断增大。同样,空间电荷区在

7、PN结两侧的扩展宽度也可以分别求得,其中在N型区一侧的扩展宽度为:当PN结外加的反向偏压改变时,PN结中耗尽区的宽度发生变化,因此PN结两侧耗尽区中的电荷也会随之而发生改变,这种充放电作用就是PN结的电容效应。2.PN结的势垒电容根据电容的定义,单位面积PN结的电容为:上式为PN结势垒电容,也称为耗尽层电容。将耗尽区宽度此式与单位面积的平行板电容公式完全相同。注意:PN结电容中的耗尽区宽度随着反偏电压的改变而不断变化,因此电容也是随着反向偏置电压的改变而不断变化的。带入上式得:小结:PN结反偏时形成的突变结势垒电容等效为平行板

8、电容器的电容。影响势垒电容大小的因素:掺杂浓度:掺杂浓度增加,势垒电容增加;单边突变结,决定于低掺杂区浓度。偏置电压:反偏电压变大,势垒电容减小。3.单边突变PN结 如果PN结两侧的掺杂浓度相差很大,通常称之为单边突变PN结。 如果P型区的掺杂浓度远远大于N型区的掺杂浓度

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