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第五章 p-n结 §1 p-n结基本概念 §2 p-n结的电流电压特性 §3 p-n结电容效应 §4 p-n结的隧道效应 §5 p-n结的光生伏特效应 PN结——半导体器件基本结构之一 半导体器件主要有67种，还有110个相关 的变种，但都是由少数的基本模块构成： pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格 §1 p-n结及其基本概念 (1)?????? p-n结的形成 (2)?????? p-n结的基本概念 ★ p-n结的形成 p-n结的形成 ?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剂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 杂质分布的简化近似: ? 突变结 适用于离子注入浅结扩散和外延生长，Xj1um ? 线性缓变结 适用于深结扩散， Xj3um ★ 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. 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). ③接触电势差: ? pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD(Vbi) ? 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 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: 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) §2 p-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场 ②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系 (用准费米能级取代费米能级): ★ 正向偏压下的p-n结 ①势垒: ? 外电压主要降落于势垒区 ? 加正向偏压V, 势垒高度下降为 e(VD-V), 势垒区宽度减少. ②非平衡子的电注入: ?正向偏压下,势垒区内电场减少?载流子的扩散流漂移流?非平衡载流子电注入形成少子扩散区. (外加正向偏压增大,非平衡载流子电注入增加) ?边界处的载流子浓度为: ?稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的. ③电流: ?在体内,电流是多子漂流电流 ?在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流;少子电流是扩散电流 ?讨论空穴电流的变化: 在电子扩散区,空穴(多子)边漂移边与电子复合; 势垒区很薄,势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴扩散区,空穴(少