5第五章光电子器件物理基础课案.ppt

* P型半导体 硼（B）铝（AL）镓（GA）等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是“空穴”。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。图表示P型半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的Ⅲ族杂质原子，通常称之为受主杂质。 空键 接受电子 空穴 * 小结：纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体。 * 5.3.7 PN结 要形成一个有用的半导体微电子或光电子器件，单靠一种导电类型(n型或p型)的半导体材料是不够的。通常需要把两种不同导电类型的半导体，或半导体与金属或半导体与绝缘体结合形成界面或p-n结。 p-n结并非是把两种导电类型不同的半导体材料简单地连接起来形成的，而是在一块n型(或p型)半导体衬底上用适当的工艺方法(如合金法、扩散法、离子注入法)掺入p型(或n型)杂质，或者是在n型(或p型)材料上通过外延工艺生长p型(或n型)材料形成一定的杂质分布而构成的。 * p-n结的形成 p型和n型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在n型(或p型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(或五价)杂质，使其变为p型(或n型)半导体，在p型和n型半导体的交界面就会形成p-n结，而p-n结是构成各种半导体微电子和光电子器件的基础。 * p型半导体中，价带有大量的空穴，n型半导体中，导带有大量的电子。根据扩散原理，在p-n结附近就会有空穴从p区向n区扩散，与n区的导带电子相复合，在p区留下一些带负电的电离受主。 * p-n结两侧附近没有相应的导带电子和价带空穴与之中和，我们把它们称为空间电荷。于是在p-n结两侧形成了空间电荷区，如图所示。n区一侧带正电，p区一侧带负电，正负电荷之间产生一个内建电场ε，其方向由正电荷指向负电荷，即从n区指向p区。 * p-n结两侧空间电荷区的形成 内建电场使导带电子和价带空穴作漂移运动，很明显漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。当两块典型半导体刚接触时，扩散运动占优势，空间电荷区逐渐扩展，内建电场也随之增强，于是漂移运动不断加强，最后达到平衡。这时扩散作用与漂移作用相抵消，空间电荷区不再扩展，保持一定的宽度，相应存在一定的内建电场。 * 在没有外加电压时，由于载流子的扩散作用和漂移作用相抵消，所以在p-n结中是不会有电流的，此时p-n结处于热平衡状态。 在空间电荷区中存在着内建电场，其方向是由n区指向p区的，这就使得n区的电位相对提高，而p区的电位相对降低。由于电位高低是对正电荷定义的，所以对带负电的电子来说，n区的电子位能低于p区的电子位能，对带正电荷的空穴来说则相反。 * n区和p区的电位差为 ，则n区的电子位能就要比p区的电子位能低 。这反映在能带图中，n区的电子能带下移，p区的电子能带相对上升，如图所示。 * p-n结势垒的形成 接触电位差 (1) p区电子位能较n区高，n区 空穴位能较p区高。 (2) p区和n区的费来能级相等。 P-n结势垒的形成由于是两块半导体相互接触而形成的，所以又称接触势垒， 则称为接触电位差或内建电势差。 * p-n结正向伏安特性 p-n结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。当p-n结处于热平衡状态时，由于势垒的存在，电子和空穴的漂移流与扩散流相互抵消。现在对p-n结加上一正向电压 VF，如图所示。 * * 由于势垒区载流子浓度很低，相对势垒区以外的p区和n区有很高的电阻，这样外加电压主要降在势垒区,这个电压所产生的电场与内建电场方向相反，使势垒区总的电场强度减弱，空间电子数量减少，其结果一方面使势垒宽度减薄，另一方面使势垒高度从q 降低到 q 。 * 势垒高度的降低会有更多的电子向p区扩散，而p区电子在内建电场作用下，虽仍能漂移到n区，但电子漂移流基本变化不大，从而使扩散流大于漂移流。同样，空穴的扩散流也大于空穴的漂移流，这样一来，就有一部分电子从n区进入p区，一部分空穴从p区进入n区，分别称为电子注入和空穴注入。 * 由于注入的都是少子，这种现象称为少子的注入。少子注入是由外加电压引起的,故称为电注入。在正向电压作用下，少子注入产生了正向电流，正向电压越大，势垒越低