[物理]晶体管原理与设计_陈星弼_21.ppt

2.中性近似的适用性 一般非均匀掺杂的”中性区”, 杂质浓度的不均匀导致平衡多子浓度的不均匀 在平衡态下: 由此式解出自建电场E 在突变结的N型中性区内, n=ND=常数，得 E(x)=0, 在Ｐ型中性区也有同样的结论。所以在突变结的势垒区以外区域，电中性成立 (2.39) 在线性缓变结中：n(x)=ND=ax, 代入式(2.39)后得 自建电场在位于Ｎ型中性区与势垒区的边界处有最大值 同理，财在Ｐ型区： 势垒区内的最大电场： 所以，势垒区外的电场强度比势垒区内的电场强度小很多 采用杂质扩散工艺制造的PN结称为扩散结 式中，Ｗ代表中性区长度，?是反映杂质浓度变化大小的一个常数，称为自建场因子，将 代入式(2.39), 得 PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。 第 2 章 PN 结 分析方法：将 PN 结分为三个区，在每个区中分别对半导体器件基本方程进行简化和求解。 P 区 NA N 区 ND P型区和N型区的交界面称为冶金结面。设结面为平面 如果结的面积足够大,且掺杂相接的半导表面仅在垂直于结面的方向上可能发生变化, 就可以采用一维的半导体方程 此外,凡未做特别说明, 均假设P型区和N型区的长度远大于该区的少子扩散长度 突变结：P 区与 N 区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面（x = 0）处发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为 单边突变结，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。 线性缓变结：冶金结面两侧的杂质浓度随距离作线性变化，杂质浓度梯度 a 为常数。 平衡状态：PN 结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。 2.1 PN 结的平衡状态 本节将介绍 PN 结 空间电荷区的形成，PN 结的 内建电场、内建电势与耗尽区宽度，能带图, 线性缓变结, 及耗尽近似和中性的适用性。 2.1.1 空间电荷区的形成 平衡少子 P 区： N 区： 利用 n0 p0 = ni2 的关系，可得： 平衡多子 P 区： N 区： 可见， 空穴扩散：P 区 N 区 电子扩散：P 区 N 区 扩散电流方向为，P 区 N 区 P 区 N 区 NA-，pp0 ND+，nn0 扩散电流： P 区 N 区 漂移电流： P 区 N 区 P 区留下 NA- ，N 区留下 ND+ ，形成 空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由 N 区指向 P 区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由 N 区指向 P 区。 达到平衡时，净电流 = 0 。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。 内建电场 空间电荷区 P 区 N 区 NA- ND+ NA- pp0 ND+ nn0 耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。则P区耗尽区中的空间电荷为-qNA, N区耗尽区中的空间电荷为qND 中性近似：假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度 ，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为“中性区”。 2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度 1、耗尽近似与中性近似 由第一章例 1.1 的式（1-14a），采用耗尽近似后，在 N 区的耗尽区中，泊松方程为 积分一次，得： 由边界条件： 可求得常数 C 为 2、内建电场 于是可得： （2-5a） P N 同理，在 P 区耗尽区中求解泊松方程，得： 以上求得的 E(x) 就是 PN 结的 内建电场。 （2-5b） 图2-4 图变结的内建电场分布图 在 x = 0 处，内建电场达到最大值， 由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 及 总的耗尽区宽度： 式中， 称为 约化浓度。 3、耗尽区宽度 （2-6） （2-8） （2-7） 对内建电场作积分可得 内建电势 Vbi （也称为 扩散电势。 它是在耗尽区从与Ｐ区中性区的交界面到与Ｎ区中性区的交界面之间的电位差）。内建电势来源于内部栽流子的扩散, 它不是由外加电压引起的 或 以上建立了 3 个方程， ( 2-6 ) 、( 2-7 ) 和 ( 2-10 ) ，但有 4 个未知数，即 、 、 和