第三章 P型半导体与N型半导体接触.ppt

费米能级的相关性 在热平衡条件下，一个系统中的费米能级总是保持为一个相等的常数。 考虑两个特定的材料系统，热平衡状态下分别具有各自的费米能级，当二者紧密接触之后，统一后的整个系统中，电子将首先填充最低的能态，因此电子将从费米能级高的材料中流向费米能级低的材料，直到二者具有统一的费米能级。这个过程如图所示。 同理 在电中性p区： 为p区电子(少数载流子)的扩散长度 电流－电压特性 前提： －小注入 －突变耗尽层条件 （耗尽层外电中性） －忽略势垒区中载流子的产生、复合 －非简并 重要图像-- 理想p-n结的J-V关系 电流密度 扩散电流组成 其中是Js饱和电流密度: 通过器件的总电流为常数，为理想二极管方程式： 右图为理想电流-电压特性曲线．在V≥3kT/q时，p侧加上正偏压为正方向，电流增加量为常数，在反方向时，电流密度在-Js 达到饱和。 电流－电压特性 解: 由 例5：计算硅p-n结二极管的理想反向饱和电流，其截面积为2×10-4 cm2．二极管的参数是：NA=5×1016cm-3， ND=1016cm-3， ni=9.65×109cm-3， Dn=21 cm2/s， Dp=10 cm2/s，?p0= ?n0= 5×10-7 s. 得到： 和 由截面积A=2×10-4 cm2得到： 电流－电压特性 如图(c)所示，如果在n端加上相对于p端的正向电压VR，p-n结成为反向偏压，且跨过结的总静电电势增加了VR，亦即成为Vbi+VR．可见，反向偏压会增加耗尽区宽度．将这些电压代入式 其中NB是轻掺杂的基体浓度，对于正向偏压，V是正值；对于负向偏压,V是负值． 得到单边突变结耗尽区宽度与偏压的函数： 耗尽区 对于深扩散或高能离子注入的p-n结，杂质浓度分布可以被近似成线性缓变结，亦即浓度分布在结区呈线性变化．这样的p-n结称为线性缓变结，如图． 线性缓变结（linearly graded junction） 耗尽区 热平衡的状态下，线性缓变结耗尽区的杂质分布如图(a)所示．泊松方程式在此为 其中已经假设移动载流子在耗尽区是可忽略的，a是浓度梯度(单位是cm－4)，W为耗尽区宽度． 用电场在?W/2处为零的边界条件，由上式得到电场分布如图(b)所示．电场为 耗尽区 在x=0处的最大电场为 对 积分两次，可同时得到电势分布和其对应的能带图分别如图(c)和(d)所示． 内建电势和耗尽区宽度为 耗尽区 因为在耗尽区边缘(-W/2和W/2)的杂质浓度一样，且都等于aW/2，所以根据, 用上式和式 可得线性缓变结的内建电势： 消去W，得到此超越函数的解和内建电势为a的函数．硅和砷化镓线性缓变结的结果如图所示． 耗尽区 当正向偏压或反向偏压施加在线性缓变结时，耗尽区的宽度变化和能带图会和突变结相似． 耗尽区宽度随(Vbi-V)1/3变化.如果是正向偏压，V是正值；如果是反向偏压，V是负值． 耗尽区 例3：对于一浓度梯度为1020cm-4的硅线性缓变结，耗尽区宽度为0.5?m。计算最大电场和内建电势(T＝300K)． 解： 由 得到 耗尽区 单位面积耗尽层势垒电容定义为: 右图表示任意掺杂浓度p-n结的势垒电容．实线代表电压加在n侧时对应的电荷和电场分布．如果电压增加了dV的量，电荷和电场分布会扩张到虚线的区域． 耗尽层势垒电容(depletion layer capdcitance) 其中dQ是外加偏压变化dV时， 单位面积耗尽层电荷的增量． 耗尽层势垒电容 在图(b)中，耗尽区两侧电荷分布曲线的上色部分表示电荷增量．n侧或p侧的空间电荷增量相等，而其电荷极性相反，因此总体电荷仍然维持中性．电荷增量造成电场增加， 且dE=dQ/?．图(c)表示对应的电场分布变化，由于外加电压增量dV=WdE=WdQ/?，因此，单位面积的势垒电容为 上式与平行板电容的公式相同，其中两平行板的距离为耗尽区的宽度．此方程式对任意杂质浓度分布都适用． 耗尽层势垒电容 在推导上式时，只有在耗尽区变化的空间电荷对电容值有贡献．这对反向偏压的情况当然是很好的假设．然而对正向偏压而言，大量电流可以流过结，因此也代表中性区有大量的移动载流子．这些随着偏压增加的移动载流子增量会贡献出额外的一项电容，称为扩散电容． 电容-电压特性曲线 ： 对于一单边突变结，由 得到 和 或 耗尽层势垒电容 例4：对一硅突变结，其中NA＝2×1019cm-3，ND＝8×1015cm-3，计算零偏压和反向偏压4V时的结电容(T＝300K)． 将1/Cj2对V作图，可以得到一直线．由其斜率可求出基体的杂质浓度NB，而由与V轴交点(在1/