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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS第六章p-n结§1p-n结及其能带图§2p-n结的电流电压特性§3p-n结电容§4p-n结击穿§5p-n结隧道效应§6.1p-n结及其其能带图(1) p-n结的形成(2) p-n结的基本概念6.1pn结及其能带图6.1.1pn结的形成和杂质分析在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。PN★p-n结的形成p-n结的形成
2、♦控制同一块半导体的掺杂,形成pn结(合金法;扩散法;离子注入法等)♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体同质结和异质结♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结--同质结♦由两种不同的半导体单晶材料组成的结—异质结工艺简介:♦合金法—合金烧结方法形成pn结♦扩散法—高温下热扩散,进行掺杂♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结杂质分布的简化:♦突变结♦线性缓变结合
3、金法杂质分布突变结杂质分布线性缓变结扩散法★p-n结的基本概念①空间电荷区:♦在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.♦扩散的结果:在结面附近,出现静电荷--空间电荷(电离施主,电离受主).♦空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场的方向:n→p.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.PN结的形成在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。1．PN结的形成①扩散运动——P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两
4、侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。②漂移运动——在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。动态平衡下的PN结漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有
5、电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0③空间电荷区——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。（见下一页的示意图）④内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。⑤
6、耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。②平衡p-n结及其能带图:♦当无外加电压,载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消,电荷没有净流动),p-n结有统一的EF(平衡pn结)♦结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).热平衡条件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)热平衡条件内建电势内建电势PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度③接触
7、电势差:♦pn结的势垒高度—eVD接触电势差—VD♦对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:♦VD与二边掺杂有关,与Eg有关图6-8电势电子势能(能带)④平衡p-n结的载流子浓度分布:♦当电势零点取x=-xp处,则有:♦势垒区的载流子浓度为:即有:图6-9平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:♦同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系♦处处都有n•p=ni2♦势垒区是高阻区(常称作耗尽层)StepJunction§6.2p-n结的电流电压特性(1)dEF/dx与电流密度的关系(2)正向偏压下的p-n结(3)反向偏
8、压下的p-n结(4)理想p-n结(5)伏安特性★dEF/dx与电流密度的关系EF随位置的变化与电流密度的关系热平衡时,EF处处相等,p-n结无电流通过(动态平衡).当p-n结有电流通过,EF就不再处处相等.且,电流越大,EF随位置的变化越快.总之:①是否有电荷流动,并不仅仅取决于是否存在电
