5 第二章 2.1 平衡PN结.ppt

式中： PN结的最大电场 由于正负电荷分布在一定体积中，电力线是从正电荷出发，终止于负电荷。因此电场强度在空间电荷区的各处是不想等的。界面处最大，而在边界处电场强度为零。 由于电荷密度是均匀的，所以平行结面方向上电场强度不变。在交界面上具有最大的电场强度。 空间电荷区的内建电势差为： 由电势连续性： 则有： 即： 2 根据上式，可得耗尽层的宽度为： 五 平衡PN结的载流子分布 在空间电荷区靠近P区边界Xp处，电子浓度等于P区的平衡少子浓度np0，空穴浓度等于P区平衡多子浓度pp0 ；在靠近N区边界Xn处，空穴浓度等于N区的平衡少子浓度pN0 ，电子浓度等于N区的平衡多子浓度nN0 。在空间电荷区，空穴浓度从Xp处的pp0减小到Xn的pN0 ，电子浓度从Xn处的nN0减小到Xp处的np0 。 在PN结形成过程中，电子从N区向P区扩散，从而在结面的N区侧留下不能移动的电离施主；空穴自P区向N区扩散，留下了不能移动的电离受主（负电中心）。在空间电荷区内可移动载流子的分布是按指数规律变化的，变化显著，绝大部分区域的载流子浓度远远小于中性区域，即在空间电荷区的载流子基本已被耗尽，因此，空间电荷区又称为耗尽区或耗尽层。 =－5×104(V/cm) 对于线性缓变结，耗尽层内空间电荷分布可表示为： 式中，a为杂质浓度的斜率（参见P57图2-2b） 泊松方程改写为： 则可以得到耗尽层的宽度和自建电势为： 作业1：证明上述等式 Poisson’s equation Integrate Electric field profiles (left-hand) Peak Electric-field profiles Electrostatic-potential profile Contact potential * Physics of Semiconductor Devices * 第二章 PN结 如果将P型半导体和N型半导体结合在一起，在二者的交界处就形成了PN结。PN结是构成各类半导体器件的基础，如双极型晶体管、结型场效应晶体管等，都是由PN结构成的。PN结的性质集中反映了半导体的导电性能的特点。 前言 An interface lying between a P-type region and an N-type region in a semiconductor single crystal is termed a PN junction. 1、分析PN结形成的物理过程和PN结的物理特性 2、电流－电压特性 3、击穿特性 4、电容效应 5、开关特性等 PN结的主要讲解内容： 封装好的集成电路 硅单晶片与加工好的硅片 Physics of Semiconductor Devices 热平衡PN结 §2.1 PN结的制备工艺 PN结的形成机理 接触电势 空间电荷区的电场与宽度 平衡PN结的载流子分布 Outline —制造业— 芯片制造过程 一 制备方法与工艺过程 P型半导体和N型半导体单独存在时，在P型半导体一边，空穴是多数载流子，电子是少数载流子；在N型半导体一边，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 在一片纯净的半导体样品上，通过控制施主浓度和受主浓度的方法可以使得样品一边成为施主占优势的N型半导体，另一边称为受主占优势的P型半导体。P型区和N型区之间的冶金学边界称为PN结 PN结 1、合金法 把一小颗铟球（In）放在N型锗单晶片上，加热到一定温度，形成铟锗共熔体，然后降低温度，在降温的过程中，锗便从共熔体中析出，沿着锗片的晶向再结晶。在再结晶的锗区中，将含有大量的P型杂质铟，使得该区变成P区，从而形成PN结。 杂质分布 N区中施主杂质浓度为ND，而且均匀分布；P区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布。在交界处，杂质浓度由NA（P型）突变为ND（N型），具有这种杂质分布的PN结称为突变结。突变结两边的杂质浓度相差很多，通常把这种结称为单边突变结。 对于单边突变结。如果NA ND，记为：P＋N结； 如果ND NA，记为：PN＋结。 2、扩散法 在N型或P型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的PN结，其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种PN结中，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。 PN结的结深 杂质分布 称为杂质浓度梯度，它决定于扩散杂质的实际分布。对于高表面浓度的浅扩散结，其斜率很大，这时扩散结可用突变结来近似，如图c。 在扩散结中，若杂质分布可用 x =Xj 处的切线近似表示，则称为线性缓变结。其杂质分布可表示为： 3、离子注入法 在掩模板窗口附近的横向分布为余误差分布，纵向近似为高斯分布。 小 结 1、制造工艺不同，杂质分