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半导体物理第6章讲述
第六章 pn结 发光二极管 光电池 pn结的重要性质 电流电压特性 电容效应 击穿效应 常用的方法 合金法 扩散法 The simplest method of producing an oxide layer consists of heating a silicon wafer in an oxidizing atmosphere. pn结的杂质分布 1.合金法(突变结) pn结的杂质分布 2.扩散法(缓变结) 线性缓变结 , 杂质浓度梯度 6.1.2 空间电荷区 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中,如果载流子浓度分布不均匀,因为浓度差,载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种运动称为扩散运动。 6.1.3 pn结能带图 平衡pn结能带图 p区能带相对向上移 n区能带相对向下移 费米能级相等, pn结达平衡状态,没有净电流通过。 势垒区 在p–n结的空间电荷区中能带发生弯曲,这是空间电荷区中电势能变化的结果。 因能带弯曲,电子从势能低的n区向势能高的p区运动时,必须克服这一势能“高坡”,才能到达p区; 同理,空穴也必须克服这一势能“高坡”,才能从p区到达n区 这一势能“高坡”通常称为p–n结的势垒,故空间电荷区也叫势垒区。 利用爱因斯坦关系 因为 所以 则 而本征费米能级的变化与电子电势能的变化一致,所以 带入上式得 或 同理可得 或 表示了费米能级随位置的变化和电流密度的关系 对于平衡pn结,电子电流和空穴电流均为0,因此 当电流密度一定的时候,载流子浓度大的地方,EF随位置变化小; 载流子浓度小的地方,EF随位置变化大。 6.1.4 pn结接触电势差 平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差VD称为pn结的接触电势差或内建电势差 qVD称为pn结的势垒高度 对于非简并半导体,n区和p区的平衡电子浓度 两式相除取对数得 因为 所以 VD与pn结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽度有关。 掺杂浓度越大,VD越大 禁带宽度越大,VD越大 室温下硅的VD=0.7V,锗的VD=0.32V。 6.1.5 pn结的载流子分布 取p区电势为0,势垒区内一点x的电势V(x),对应电子电势能为E(x) = -qV(x)。 势垒区边界xn处的n区电势最高为VD,对应电势能E(xn) = Ecn = -qVD。 对于非简并材料 令 则上式变为 因为E(x) = -qV(x) 而Ecn= -qVD,所以 当x=xn,V(x)=VD,所以 当x=-xp,V(x)=0,所以p区平衡少数载流子浓度为 同理,可以求得x点处的空穴浓度为 当x=xn,V(x)=VD,所以 当x=-xp,V(x)=0,所以p区平衡多数载流子浓度为 或 载流子在势垒两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布。 利用上述公式计算电势能比n区导带底高0.1eV的点x处的载流子浓度,假设势垒高度为0.7eV,则 载流子浓度比n区和p区的多数载流子浓度小得多,因此势垒区也称为耗尽区。 6.2.1非平衡态下的pn结 外加电压下,pn结势垒的变化及载流子的流动。 外加直流电压下,pn结的能带图 电子通过势垒区扩散进入p区,在边界pp’(x=-xp)处形成电子的积累,成为p区的非平衡少数载流子 结果使pp’处的电子浓度比p区内部高,形成了从pp’处向p区内部的电子扩散流。 非平衡载流子边扩散边复合,经过比扩散长度大若干倍的距离后,全部被复合。 这一段区域称为扩散区。 非平衡载流子的电注入 在一定的正向偏压下,单位时间内从n区来到pp’处的非平衡少子浓度是一定的,并在扩散区内形成一稳定的分布。 在pp’处有一不变的向p区内部流动的电子扩散流。 同理,在边界nn’处也有一不变的向n区内部流动的空穴扩散流。 当增大偏压时,势垒降得更低,增大了流入p区的电子流和流入n区的空穴流 这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。 n区边界nn’处的空穴被势垒区的强电场驱向p区,而p区边界pp’处的电子被驱向n区。 当这些少数载流子被电场驱走后,内部的少子就来补充,形成了反向偏压下的电子和空穴扩散电流, 这种情况好象少数载流子不断地被抽出来,所以称为少数载流子的抽取 非平衡p–n结的能带图 非平衡p–n结的能带图与平衡p–n结有两点不同: 一是势垒高度由qVD变为q(VD-V) 二是非平衡p–n结不再具有统一的费米能级,即产生了电子准费米能级和空穴准费米能级。
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