半导体物理与器件第七章.pptVIP

单边突变结电容：假设有p+n结，即pp0nn0,NaNd，相应有：第30页，共42页，星期日，2025年，2月5日中北大学中北大学半导体物理与器件第1页，共42页，星期日，2025年，2月5日第七章 pn结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pn结内建电势差和空间电荷区的内建电场外加偏压下pn结空间电荷区的变化反偏pn结电容——势垒电容的概念突变结与缓变结第2页，共42页，星期日，2025年，2月5日pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结基本结构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本性质。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3页，共42页，星期日，2025年，2月5日固体物理量子力学统计物理能带理论平衡半导体载流子输运非平衡半导体pn结MS结异质结双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件第4页，共42页，星期日，2025年，2月5日§7.1pn结的基本结构若在同一半导体内部，一边是p型，一边是n型，则会在p型区和n型区的交界面附近形成pn结，它的行为并不简单等价于一块p型半导体和n型半导体的串联。这种结构具有特殊的性质：单向导电性。pn结是许多重要半导体器件的核心。第5页，共42页，星期日，2025年，2月5日pn结的空间电荷区和内建电场浓度差多子扩散杂质离子形成空间电荷区内建电场阻止多子的进一步扩散促进少子的漂移动态平衡（零偏）第6页，共42页，星期日，2025年，2月5日由于pn结两侧存在着电子和空穴的浓度梯度，因此电子和空穴将分别由n型区和p型区向对方区域扩散，同时在n型区中留下固定的带正电荷的施主离子，在p型区中则留下固定的带负电荷的受主离子。这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。

由于空间电荷区中的可动载流子基本处于耗尽状态，因此空间电荷区也称作耗尽区。

第7页，共42页，星期日，2025年，2月5日

pn结指p型半导体和n型半导体形成的界面，显然该界面实际为包括整个空间电荷区在内的空间区域。而空间电荷区及扩散区之外，和独立的掺杂半导体性质相同的区域，不属于pn结的区域。pnVs.pn结二极管?半导体物理：半导体器件基本耗尽的意思是：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）在热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）；n0p0=ni2成立；第8页，共42页，星期日，2025年，2月5日§7.2零偏（热平衡）pn结p型半导体与n型半导体的能带图pn结的能带图内建电势差EcEvEFiEFEcEvEFiEF第9页，共42页，星期日，2025年，2月5日在达到平衡状态的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中的积分就形成了一个内建电势差，从能带图的角度来看在n型区和p型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的高度为：内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势垒区第10页，共42页，星期日，2025年，2月5日对于平衡状态的pn结我们有：参照前边图中φFn、φFp的定义，可以知道：参照前边图中φFn、φFp的定义，可以知道：注意Nd、Na分别表示n区和p区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关。对照：费米能级和掺杂以及温度的关系例7.1第11页，共42页，星期日，2025年，2月5日电场强度pn+-E-xpxnendena内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程确定：其中φ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：耗尽区假设第12页，共42页，星期日，2025年，2月5日则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