半导体器件物理（chapt 2）.ppt

1995年，K. K. Ng在《半导体器件指南》一书中，定义了67种主要的半导体器件及其相关的110多个变种。然而，所有这些器件都只由以下的少数几种器件单元组成。 第二章 pn结 pn结的基本结构及重要概念 pn结零偏下的能带图 pn结空间电荷区的形成 pn结内建电势差和空间电荷区的内建电场 外加偏压下pn结空间电荷区的变化 反偏pn结电容——势垒电容的概念 突变结与缓变结 pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结基本结构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本性质。 重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等 分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程 从物理到器件 §2.1 pn结的基本结构 PN结的制备方法：（1）合金法制备突变pn结；（2）扩散法制备缓变pn结；（3）外延、离子注入等； pn结的空间电荷区和内建电场 由于PN结两侧存在着电子和空穴的浓度梯度，因此电子和空穴将分别由N型区和P型区向对方区域扩散，同时在N型区中留下固定的带正电荷的施主离子，在P型区中则留下固定的带负电荷的受主离子。这个固定的正负电荷区即为空间电荷区，空间电荷区中将形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子的漂移运动与载流子的扩散运动方向相反，最后二者达到平衡。 由于空间电荷区中的可动载流子基本处于耗尽状态，因此空间电荷区也称作耗尽区。  §2.2 零偏（热平衡）pn结 p型半导体与n型半导体的能带图 pn结的能带图 内建电势差 在达到平衡状态的PN结空间电荷区中存在一个内建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差，从能带图的角度来看在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒的高度为： 电场强度 空间电荷区宽度 热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差 内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强 因为是热平衡状态，p区、n区及空间电荷区内具有统一的费米能级 空间电荷区内的漂移电流和扩散电流向平衡，无宏观电流。 p、n两侧的空间电荷总数量相等，对外部保持整体的电中性 空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称为耗尽区； 空间电荷区内形成内建电场，表现为电子的势垒，因而又称为势垒区 空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关 §7.3 反偏 pn结的偏置状态 非均匀掺杂pn结 线性缓变的PN结实际的PN结制造过程（外延、扩散或离子注入工艺）往往形成的是一个近似线性缓变的PN结。N型掺杂浓度与P型掺杂浓度相等之处，即为PN结界面的位置，也就是冶金结的位置。 线性缓变pn结的特性 小结 均匀掺杂同质pn结 空间电荷区（极性）、耗尽区、势垒区 内建电场（方向）、内建电势差 pn结热平衡态（零偏），内建电势差大小 耗尽区假设、空间电荷区宽度 反偏pn结，势垒电容 非均匀掺杂，线性缓变结 超突变结、变容二极管的概念 势垒电容和反偏电压有关系： 可以看到，单边突变结的C-V特性可以确定轻掺一侧的掺杂浓度。这是C-V法测定材料掺杂浓度的原理。 电势分布可以进一步求得： 假设-x0处的参考电位为零，则可以求出： 在x0处即为该pn结的接触电势差： 如果采用和突变结类似的内建电势差公式，则有： 当外加反偏电压为VR时，则耗尽区相应展宽，并且在整个耗尽区内电场的积分为Vbi+VR，即： 注意：隐含了两侧掺杂浓度梯度相同的假设 可求得： 与突变结类似地，我们还可以求得势垒电容： 从上式可以看出，线性缓变pn结的反偏势垒电容与 成正比，也即：与线性掺杂pn结相比，均匀掺杂的pn结势垒电容的大小对反偏电压更为敏感。 超突变的PN结 对于一个单边突变的P＋N结，我们考虑更一般的情况，即当x0时，N型区的掺杂浓度可表示为： N = Bxm当m=0时，即为均匀掺杂的情形；而当m=1时，即为线性缓变PN结的情形；当m为负值时，即为所谓的超突变掺杂的PN结。采用类似的分析方法，我们可以求得超突变掺杂PN结单位面积的耗尽区电容为： 超突变掺杂pn结的杂质浓度分布示意图 半导体器件物理 第二章 pn结与pn二极管 固体物理 量子力学 统计物理 能带理论 平衡半导体 载流子输运 非平衡半导体 pn结 MS结 异质结 双极晶体管 pn结二极管 肖特基二极管 欧姆接触 JFET、 MESFET、 MOSFET、 HEMT 若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则