微电子04-PN结 .ppt

p-n结;本节内容;p-n结(junction)： 由p型半导体和n型半导体接触形成的结．; p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘．p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。 ; 当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧．; 对个别的带电载流子而言，电场的方向和扩散电流的方向相反．图下方显示，空穴扩散电流由左至右流动，而空穴漂移电流因为电场的关系由右至左移动．电子扩散电流由右至左流动，而电子漂移电流移动的方向刚好相反．应注意由于带负电之故，电子由右至左扩散，恰与电流方向相反． ;平衡费米能级(equilibrium Fermi levels) ：;将上式，即;内建电势(built-in protential)Vbi ：;对于p型中性区，假设ND=0和pn。p型中性区相对于费米能级的静电电势，在图中标示为ψp，可以由设定ND=n=0及将结果p=NA代入式;在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi; 由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域，进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的宽度。;在p=n=0时．式;例1:计算一硅p-n结在300K时的内建电势，其NA＝1018cm-3和ND＝1015cm-3． ?;突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然变换来近似表示．;半导体的总电荷中性要求p侧每单位面积总负空间电荷必须精确地和n侧每单位面积总正空间电荷相同： ;其中Em是存在x＝0处的最大电场;将 ;当p-n结一侧的掺杂浓度远比另一侧高的突变结为单边突变结;电场分布的表示式仍为： ;再一次积分泊松方程式，可得到电势分布 ： ;例2：一硅单边突变结，其NA＝1019cm-3，ND=1016cm-3，计算在零偏压时的耗尽区宽度和最大电场(T＝300K)． ;前面讨论的是对于在一热平衡没有外加偏压的p-n结，如图(a)所示，其平衡能带图显示横跨结的总静电电势是Vbi．从p端到n端其对应的电势能差是qVbi。;反之，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; 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． ; 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 ;在x=0处的最大电场为 ; 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, ; 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．;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)． ;单位面积耗尽层势垒电容定义为:;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??性．电荷增量造成电场增加，; 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裁流子．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． ;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)． ;可得到在零偏压时 ; 电容-电压的特性可用来计算任意杂质的分布．对p＋-n结，其n侧的掺杂分布如图(b)所示．;因此，我们可以测得每单位面积的电容值和反向偏压的关系．对1/Cj2和V的关系作图，由图形的斜率，也就是d(1/Cj2)/dV ，可得到N(W)．; 许多电路应用p-n结在反向偏压时电容随电压变化的特性，被设计用来达到此目的的p-n结被称为变容器，即可变电容器．如同前面推导的结果，反向偏压势垒电容为 ;为