半导体物理学第六章（1）.pdf

第六章 pn结 若在同一半导体内部，一边是p 型，一边是n型， 则在p 型区和n型区交界面附近形成pn 结。 它的行为决不简单等价于一块p 型半导体和n型半 导体串联。 这种结构具有特殊的性质：单向导电性，pn 结是 许多重要半导体器件的核心． 1 如果在pn 结的两边施加电压，那么所测得的电流 电压关系具有图6.1的形式： 2 在正向电压下(p 区电位高于n 区) ，电流随电压迅 速增长，在不大的电压下(通常为伏特量级，对 Ge，Si，GaAs，等的pn 结约分别为0.3V，0.7V和 1V), 电流就可达到较大值。 但在反向电压下(即n型区电位高于p 型区) 电流却 很小，而且随电压增长得也很缓慢，通常只在电 压达某一较大的临界值时，电流才会迅速上升。 这种现象称为击穿。 3 pn 结的单向导电性和在其界面附近形成的势垒密 切联系。因此这一节的讨论从pn 结的势垒开始． pn 结的势垒 pn 结实际上是一种非均匀半导体。它代表一种极 端情形：一边费米能级靠近价带边，另一边则靠 近导带边. 在上节课中关于非均匀半导体的讨论同样具有启 发性。在任何非均匀半导体中，热平衡时必具有 统一的费米能级，即各处费米能级在同一水平上， 对于pn 结来说，这是依靠了在界面附近形成的空 间电荷区和自建电场实现的。 4 设想在某一时刻，n型一侧的费米能级高于p 型一 侧，如图 6.2(a)所示。 那么n型一侧的电子和p 型一侧的空穴必然向对方 流动。或者完全等价地可以从载流子的扩散来看： n 区电子浓度高于p 区，电子将向p 区扩散。同样p 区空穴也要向n 区扩散。 5 6 结果是在n型一侧的界面附近形成正的空间电荷， p 区一侧的界面附近形成负的空间电荷。 在正负空间电荷之间将形成电场，称为自建场， 其方向是由n 区指向p 区，它的作用显然是阻止载 流子向对方扩散。 自建场使n 区的电势提高，从而使n 区的能带连同 其费米能级相对p 区下降。 载流子的转移过程一直要持续到各处费米能级达 到同一水平，如图6.2(c)所示。费米能级达到同一 水平，意味着在界面附近能带发生弯曲，形成了 势垒。 7 势垒区显然是和界面两 边的空间电荷联系着的。 在通常情形下，空间电 荷区的厚度为微米量级。 在下面的讨论中，我们 假设p 、n两侧掺杂浓度 不很高，在界面处导带 边和价带边连续过渡， 禁带宽度ε 在结的各处 g 均相同。 8 补偿两侧费米能级差的 电势差V —称为自建势。 D 若用ζ , ζ 表示n 区和p 区 n p 费米能级的位置，令 ζ =E −E , ζ = E −E ， n Fn c p v Fp 则 eV =ε +ζ +ζ D g n p (6-1-1)