半导体物理与器件(吕淑媛)课件第5章PN结.pptx

第 5 章 PN 结;　　在前面的几章中分别介绍了 N 型和 P 型半导体中的相关情况，了解了这两种半导体在平衡和非平衡状态下的一些性质。当把这两种不同类型的半导体结合起来，就在二者的交界面附近形成 PN 结。也就是说 PN 结是由 P 型半导体和 N 型半导体的紧密接触而形成的。实际中多采用控制掺杂工艺，使得半导体的一部分掺入受主杂质成为 P 型区，另外一部分掺入施主杂质成为 N 型区，在 P 型区和 N 型区的接触面附近就形成了 PN 结。 PN 结一方面是构成复杂半导体器件的基本组成部分，另一方面也是最简单的半导体器件。;几乎所有的半导体器件都至少包含一个 PN 结， PN 结更是二极管、晶体管及其他结型半导体器件的最重要组成部分。因为 PN 结的这种特殊性，本章将大篇幅讨论 PN 结。同时，由于分析 PN 结的基本方法也适用于分析其他的半导体器件。因此，学习 PN 结的相关知识也是学习半导体器件的基础。　　本章主要讨论 PN 结的形成及其在零偏、正偏和反偏下的特性，重点讨论 PN 结在外加偏压下的电流 电压特性、 PN 结的电容特性及击穿特性等。;5. 1 PN 结的形成及其基本结构;;5. 1. 1 合金法及其形成的 PN 结的杂质分布　　用合金法制作 PN 结的基本过程如图 5.2 所示，图中的衬底材料是已经进行均匀掺杂的N 型硅，在 N 型硅上，放置金属 Al ，并对其加热使温度升高以形成 Al 和 N 型硅的共熔体。然后降温，由于在降温过程中， Al 将从共熔体中向衬底运动并随着温度的降低而再次凝固。在再凝固的区域，局部含有大量的 Al ，使得该区域反转为 P 型，它和 N 型硅衬底的交界面处形成了 PN 结。利用这种方法制备的 PN 结称为合金结。;;　　利用合金法制备的合金结的杂质分布特点是：衬底的掺杂浓度是均匀分布的，用 N D 表示；掺入 P 区的掺杂浓度也是均匀分布的，用 N A 表示。在二者的交界面附近，杂质浓度将由一侧的 N A (或 N D )突变到 N D (或 N A )。把这种通过合金法制作在各自区域内具有杂质均匀分布的特点，而在界面附近发生突变的结称为突变结。突变结内的杂质分布为;　　突变结的杂质分布如图 5. 3 所示。如果在突变结中，两边的杂质浓度相差很大，掺杂浓度差别在 3~4 数量级或以上，则称其为单边突变结。在表示时，在掺杂浓度较大的半导体上标“ + ”，即如果 N A ? N D ，则用 P + N 结表示；如果N D ? N A ，则用 PN + 结表示。;;5. 1. 2 扩散法及其形成的 PN 结的杂质分布　　用扩散法制作 PN 结的基本过程如图 5.4 所示，同样用到的衬底材料也是已经进行了均匀掺杂的 N 型半导体。首先通过氧化，在 N 型硅的表面氧化生长一层二氧化硅薄膜，然后利用光刻工艺在已形成的二氧化硅薄膜上做出一个供后面扩散的窗口。最后将 P 型的杂质从窗口中通过扩散进入半导体内，为了提高扩散效率，扩散的过程可以在高温下进行。扩散结束后，就在窗口附近的位置形成了 PN 结。把利用扩散法制备的 PN 结称为扩散结。;;　　和合金结相比，扩散结中的杂质分布要复杂得多，因为最终的杂质分布是由扩散过程和杂质补偿来共同决定的。一般来说，扩散结的杂质分布也不像合金结那样在交界面附近突然发生变化，而是由一种导电类型逐渐过渡到另一种导电类型。扩散结的杂质浓度分布如图5. 5 ( a )所示。其杂质分布可表示为;;　　如果杂质浓度的变化近似按某一固定的浓度梯度变化，即可用线性变化来表示，则称这种 PN 结为线性缓变结，图 5.5 ( b )为线性缓变结近似。其杂质浓度可表示为　　对于高表面浓度的浅扩散结，可以用突变结来近似扩散结，图 5. 5 ( c )为突变结近似。　因此采用不同的制备工艺就会得到不同杂质分布的 PN 结，一般来说，典型的 PN 结的杂质分布主要有突变结和线性缓变结两种。;5. 2 平衡 PN 结及其能带;5. 2. 1 平衡 PN 结　　在未形成 PN 结之前，独立的 P 型半导体和 N 型半导体都是电中性的，虽然在 P 型半导体内部存在着大量的带正电的空穴和带负电的电离受主，但其正负电荷数量相等，因而对外呈现出电中性， N 型半导体也是类似的。一旦 P 区和 N 区形成紧密接触，由于在 P 区内存在大量的空穴载流子，而在 N 区内存在大量的电子载流子，在交界面附近形成电子和空穴的浓度差，即形成电子和空穴的浓度梯度。在浓度梯度的作用下， N 区的多子电子向 P 区扩散；同时 P 区的多子空穴向 N 区扩散。;随着 P 区中多子空穴扩散的离去， P 区内部原来的电中性被破坏，而留下带负电的不能移动的电离受主离子；