天津大学 半导体物理 课件 第六章.ppt

第六章 pn结 主要研究内容： 电流电压特性 电容效应 击穿效应 6.1 pn结及能带图 6.1.1pn结的形成与杂质分布 1.合金法（突变结） 2.扩散法（缓变结） 线性缓变结 , αj杂质浓度梯度 6.1.2空间电荷区 p型半导体与n型半导体接触面，漂移运动与扩散运动达到平衡，形成稳定的空间电荷区，宽度保持不变。称为热平衡态下的pn结。 6.1.3 pn结能带图 可得 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 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。 6.1.4pn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。 室温下 硅：VD＝0.7V， 锗：VD＝0.32V。 6.1.5pn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区非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，p区非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 因此势垒区也称为耗尽区。 6.2pn结电流电压特性 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 6.2.2理想pn结模型及其电流电压方程 小注入条件——注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； 突变耗尽层条件——外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动 通过耗尽层的电子和空穴为常量，不考虑耗尽层中的产生和复合作用。 玻耳兹曼边界条件——在耗尽层两端，载流子的分布满足玻耳兹曼统计分布。 计算电流密度方法 根据准费米能级计算势垒区边界nn’和pp’处注入的非平衡少数载流子浓度 以边界nn’和pp’处注入的非平衡少数载流子浓度作为边界条件，解扩散区中载流子连续性方程，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布 将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出扩散密度，再算出少数载流子的电流密度 将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式 p区载流子浓度与准费米能级的关系 pp’处，x=-xp，EFn-EFp=qV，因而 因为 代入可得 由此注入p区边界pp’处的非平衡少数载流子浓度为 同理可得注入n区边界nn’处的非平衡少数载流子浓度为 可见注入势垒区边界pp’和nn’处的非平衡少数载流子是外加电压的函数。以上两式为解连续性方程的边界条件。 在稳态时，空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程 小注入条件下，电场变化项可以忽略，n扩散区|Ex|=0，故 根据边界条件 可求得 同理可得 小注入条件下，x=xn处，空穴的扩散流密度 同理，x=-xp处，电子的扩散流密度 若忽略势垒区的产生-复合作用，通过pn结的总电流密度为 代入可得 令 1.pn结具有单向导电性 正向偏压下，电流密度随电压指数增加，方程可表示为 反向偏压下 2.温度对电流密度的影响很大 6.2.3影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素 势垒区的产生-复合电流 表面效应 大注入的情况 串联电阻效应 1.势垒区的产生电流 pn结加反向偏压时，势垒区的电场加强，所以势垒区产生的空穴未复合就被强电场驱走了，因此具有净产生率，从而形成另一部分的反向电流。 2.势垒区的复合电流 在正向偏压下，从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成另一股正向电流，称为势垒区复合电流。 正向电流 m=1，扩散电流为主；m=2，复合电流为主。