半导体物理第六章---PN结.pptx

半导体物理第六章PN结一组制作什么是PN结？在一块n型（或者p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或者n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在两者的交界面处所形成的空间电荷区就是pn结。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性质相同，不属于PN结区域。PN结具有单向导电性。热平衡状态下，PN结的任何区域满足n0p0=ni2。Ｐ区、N区和ＰN结内具有统一的费米能级。PN结的典型工艺方法（1）：高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度Al的p型Si薄层。它与n型硅衬底的交界面处就是PN结（这时称为铝硅合金结）。P型区中施主杂质浓度NA,均匀分步; n型区中受主杂质浓度ND,均匀分布;特点：交界面杂质浓度发生突变。——突变结突变结：杂质浓度由NA突变到ND,具有这种杂质分布的pn结称为突变结。上图所示，pn结位置在x=Xj，则突变结杂质分布： xXj,N(x)=Na xXj,N(x)=Nd 实际上，两边杂质相差很多，例如n区杂质浓度为1016cm-3，p区为1019cm-3.通常成这种突变结为单边突变结（这里是P+n结）。PN结的典型工艺方法（2）：杂质分布：xXj,NaNdxXj,NaNd扩散结杂质浓度从p区到n区逐渐变化，称为缓变结。在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。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，杂质分布表示为：?为Xj处斜率，称为杂质浓度梯度。决定于扩散杂质的实际分布，可以用实验方法测定。但是对于高表面浓度的浅扩散结，Xj处斜率?很大，这时扩散结用突变结来近似。PN结的形成机理（1）：在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴存在浓度差，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的宽度和掺杂物浓度有关。在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场。内电场方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，内电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止多子扩散。并且，内电场在P、N交界处最强。PN结的形成机理（2）：内电场作用促进少子的漂移运动，使N区的少子空穴向P区漂移，P区的少子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于基本上没有自由载流子，所以也称耗尽层。P、n两侧空间电荷总数相同，对外保持整体的电中性。PN结能带图两个半导体结合成pn结时，电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p区流到n区。EFn不断下移（事实上，费米能级是随着n区能带下移），EFp不断上移,直到EFn=Efp。这时PN结具有有统一费米能级Ef，PN结处于平衡状态能带相对移动的原因是pn结空间电荷区中存在内建电场的结果。随内建电场(n p)不断增大，V(x)不断降低，电子电势能-q V(x)由n到p不断升高，所以P区能带整体相对n区上移，n区能带整体相对p区下移，直到具有统一费米能级，能带相对移动停止。PN结费米能级处处相等标志PN结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。电流密度方程式推导动态平衡时?，则???，所以??本征费米能级Ei的变化与电子的电势能-qV(x)的变化一致，所以：????以上两式表明了费米能级随位置的变化和电流密度的关系，还表明了当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，随位置变化小。对于平衡PN结，均为零，因此，。说明PN结费米能级处处相等标志PN结达到动态平衡。?PN结接触电势差如图所示，在PN结的空间电荷区中，能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势能变化的结果。因为能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达p区，这一势能“高坡”通常称为PN结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差称为pn结的接触电势差或者内建电势差。相应的电子势能