半导体器件原理2.ppt

平衡PN结 PN结 在一块本征半导体中掺进不同的杂质，使一部分为P型 半导体，另一部分为N型半导体，那么在P型半导体与N型 半导体的交界处就会形成一个具有特殊电学性能过渡区域 ，称之为PN结。 平衡PN结 如果PN结没有受外加电压、光照、辐射等的影响，并 且其所处环境的温度也保持恒定，则称为平衡 PN结。 平衡PN结 PN结的制造工艺和杂质分布 1.合金法及其杂质分布 平衡PN结 PN结的制造工艺和杂质分布 2.扩散法及其杂质分布 平衡PN结 PN结的制造工艺和杂质分布 3.离子注入法及其杂质分布 平衡PN结 平衡PN结的空间电荷区和能带图 1.平衡PN结空间电荷区的形成 平衡PN结 平衡PN结的空间电荷区和能带图 2.平衡PN结能带图 当N型和P型半导体结合成PN结时，若没有外加电压，则有统 一的费米能级EF，即费米能级处处相等。也就是说，N区的能带相 对P区下移（或说P区的能带相对N区上移），使两个区的费米能级 拉平为EF。 平衡PN结 平衡PN结的空间电荷区和能带图 3.势垒区 在PN结空间电荷区内，能带发生弯曲，它反映了空间 电荷区内电子电势能的变化。因能带弯曲，电子从势能低 的N区向势能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”或 “势垒”，才能到达P区；同理，空穴也必须克服这个势能 “高坡”，才能从P区到达N区，这一势能“高坡”通常称为PN 结的势垒，所以空间电荷区也叫势垒区。 平衡PN结 平衡PN结的空间电荷区和能带图 4.平衡PN结接触电势差 由于平衡PN结空间电荷区内存在自建电场，使得N区和 P区之间存在电势差，这个电势差称为PN结接触电势差，用 UD表示。 平衡PN结 平衡PN结载流子浓度分布 平衡PN结 耗尽区 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，变化非常显著，绝大部分区域的载流子浓度远小于中性区域，即空间电荷区的载流子基本已被耗尽。所以空间电荷区又叫耗尽区或耗尽层。 PN结的直流特性 PN结的正向特性 1.PN结的正向偏置及其能带图 PN结的直流特性 PN结的正向特性 2.PN结的正向注入效应 在加正向偏压时，外加 电场的方向与自建场方向相 反，结果空间电荷区的电场 被削弱了。因此，载流子的 扩散大于漂移，电子从N区扩 散到P区，空穴从P区扩散到N 区，这种现象称为PN结的正 向注入效应。 PN结的直流特性 PN结的正向特性 3.正向PN结的边界少子浓度 边界少子浓度是指在空间电 荷区靠近N区边界XN处的空穴浓 度p（XN）和靠近P区边界XP处的 电子浓度n（XP）。 PN结的直流特性 PN结的正向特性 3.正向PN结的少子浓度分布 非平衡少子浓度等于边界处非平衡少子浓度乘上指数 因子，即非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰 减，衰减常数为少子的扩散长度。当x比少子扩散长度大几 倍时，非平衡少子浓度才基本为零，即少子扩散长度并不 等于扩散区的长度。 PN结的直流特性 PN结的正向特性 4.正向PN结的电流转换和传输 在扩散区中，少子扩散电流 和多子漂移电流将互相转换。N 型区中的电子，在外加电压的作 用下，向边界XN漂移．越过空间 电荷区，经过边界XP注入P区， 然后向前扩散形成电子扩散电 流，但在电子扩散区域中，电 子边扩散、边复合，不断与从右 面漂移过来的空穴复合而转化为 空穴漂移电流，直到XP′处注入 电子全部复合掉，电子扩散电流 全部转变为空穴漂移电流。 PN结的直流特性 PN结的正向特性 5.PN结正向电流-电压关系 PN结内各处电流是连续的，则通过PN结的任意截面电 流都一样。因此，只要求出空间电荷区与N区的交界面XN处 的电子电流与空穴电流，它们的和就是流过PN结的总电 流。 PN结的直流特性 PN结的反向特性 1.PN结的反向抽取作用 外加电场E`与自建场E方向 相同，空间电荷区电场加强， 空间电荷区宽度变宽（由Xm变 宽为Xm2），破坏了漂移与扩散 相抵的动态平衡状态，空间电 荷区中载流子的漂移大于扩 散。电子向N区运动，空穴向P 区运动。使空间电荷区XN附近 的空穴浓度和XP附近的电子浓 度低于平衡值。 PN结的直流特性 PN结的反向特性 1.PN结的反向抽取作用 在N区XN附近，由于存在空穴浓度梯度，XN附近的空穴 就向空间电荷区扩散，而且一旦进入空间电荷区，立即被 电场扫向P区，这种作用称为PN结空间电荷的反向抽取作 用。因此，在XN-X`N区域中空穴浓度低于平衡浓度，就有载 流子的净产生。空穴一方面产生，一方面又不断地向空间 电荷区扩散，当二