尼曼-半导体物理与器件第七章分解.pptVIP

第七章 pn结 0 高等半导体物理与器件第七章 pn结 第七章 pn结 1 从物理到器件 第七章 pn结 2 概 述 前情提要 热平衡状态下的电子与空穴浓度，确定费米能级位置 存在过剩电子与空穴的非平衡状态 本章内容 pn结的静电特性 后续通用性 建立一些基本术语和概念 分析pn结的基本技巧也适用于其他半导体器件 第七章 pn结 3 主要内容 pn结的基本结构及重要概念 pn结零偏下的能带图 pn结空间电荷区的形成，内建电势差和空间电荷区的内建电场 反偏pn结空间电荷区变化——势垒电容 突变结 第七章 pn结 4 pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。 重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等。 分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程。 第七章 pn结 5 同一半导体内部，一边是p型，一边是n型，在p型区和n型区交界面（冶金结）附近形成pn结。 不简单等价于一块p型半导体和n型半导体的串联。 pn结具有特殊的性质：单向导电性，是许多重要半导体器件的核心。 突变结：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，杂质的浓度有一个突然的跃变。 7.1 pn结的基本结构 第七章 pn结 6 pn结的空间电荷区和内建电场 第七章 pn结 7 pn结两侧电子空穴浓度梯度，电子空穴分别由n型区、p型区向对方区域扩散，同时n型区留下固定的带正电施主离子，p型区留下固定的带负电受主离子。此固定的正负电荷区为空间电荷区，空间电荷区中形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子漂移运动与扩散运动方向相反，最后达到平衡。 空间电荷区载流子基本耗尽，因此空间电荷区称作耗尽区。 第七章 pn结 8 7.2 零偏 平衡态的pn结空间电荷区中存在一个内建电场，该电场在空间电荷区的积分就形成一个内建电势差，从能带图角度看在n型和p型区间建立一个内建势垒，该内建势垒高度： 第七章 pn结 9 平衡状态pn结： 参照前边图中?Fn、?Fp的定义： 则内建电势差为： （1）内建电势差 第七章 pn结 10 （2）电场强度 p n E -xp +xn +eNd -eNa 内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度和电荷密度关系由泊松方程确定： 其中，?为电势，E为电场强度，ρ为电荷密度，εs为介电常数。 从图可知，电荷密度ρ(x)为： ρ(C/cm3) 第七章 pn结 11 p侧空间电荷区内电场可以积分求得： 边界条件：x=-xp时，E=0 相应，n侧空空间电荷区电场： 边界条件：x=xn时，E=0 第七章 pn结 12 p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即： -xp +xn +eNd -eNa -xp +xn 0 E 因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系： ρ(C/cm3) p n 第七章 pn结 13 根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势： 确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处电势为0，则可确定C1和p区内的电势值为： 同样的，对n区内的电场表达式积分，可求出： 第七章 pn结 14 -xp xn 0 E p n ?=0 ?=Vbi 显然，x=xn时，?=Vbi，因而可以求出： 当x=0时，n、p区电势值连续，因而利用p区电势可求出： 第七章 pn结 15 （3）空间电荷区宽度 p n xp+xn 由整体电中性条件要求，已知： 则可得到： 空间电荷区宽度为： 第七章 pn结 16 热平衡，pn结处存在空间电荷区和接触电势差。 内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强。 热平衡，p区、n区及空间电荷区内具有统一费米能级。 空间电荷区内漂移电流和扩散电流平衡，无宏观电流。 p、n两侧空间电荷总数相等，对外保持整体的电中性。 空间电荷区内几乎无自由载流子、因而又称耗尽区。 空间电荷区内形成内建电场，表现为电子势垒，因而又称势垒区。 空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关。 第七章 pn结 17 7.3 反偏 pn结的反向偏置状态 反偏：p区施加相对于n区的反向电压。 外加电场方向和内建电场相同。 反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性区电压几乎为0。 外加电场使n区费米能级下拉，下拉幅度等于外加电压引起电子势能变化量。 pn结上总的势垒高度增大为： 第七章 pn结 18 （1）空间电荷区宽度与电场 将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用Vbi+VR=Vtotal代替，即可求出反偏时的空间电荷区宽度: 第七章 pn结 19 空间电荷区电场增强，电场强度和电荷的关系仍满足泊松方程。 由于xn和xp增大，因而最大场强也增大。将xn或xp中的Vbi替换为Vbi+VR可得到： 加反偏电压后，pn结空间电荷区宽