半导体物理学第六章.pptVIP

半导体物理学 半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构 半导体异质结构 第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 6.1.1PN结形成及杂质分布 PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界 PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件 典型制造过程 合金法 扩散法 1.合金法 缓变结：杂质浓度从p 区到n区是逐渐变化的p-n结为缓变结。深结（3um） 上面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析 6.1.2空间电荷区 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。 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。 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。 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。 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。 PN结的形成 费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央 接触电势差 6.1.5p-n载流子的分布 ? 当电势零点取x=-xp处,则有: ?势垒区的载流子浓度为: 即有: 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) 第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 6.2 pn结电流电压特性 V?0条件下的突变结：外加电压全部降落在耗尽区，V大于0时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为VD-V 反偏PN结 准费米能级正偏：少子扩散；反偏：少子抽取 6.2.2理想二极管方程 PN结正偏时 理想二极管方程 PN结反偏时 定量方程 基本假设 P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。 电中性区宽度远大于扩散长度。 冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, 不考虑空间电荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。 PN结电流 PN结电流与温度的关系 6.2.3与理想情况的偏差* 大注入效应 空间电荷区的复合 单向导电性应用 整流二极管 检波二极管 开关二极管 第6章 pn 结 6.1 pn结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应 电容 ★ 电容效应 p-n结有存储和释放电荷的能力。 ①势垒电容 CT —当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应. ?当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低?空间电荷减少 ?当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加?空间电荷增加 ②扩散电容 CD —当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应. ?当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加 ?在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容 可忽略 p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化-- CT 和CD都是微分电容: C=dQ/dV 6.3.2 突变结的势垒电容1.突变结的电场电势分布 ①耗尽层近似下的空间电荷: 突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷 势垒宽度: XD= Xp +Xn 势垒区中单位面积的正负电荷总量相等： |Q|=eNAXp =eNDXn ②电场: