1、半導(dǎo)體物理第六章PN結(jié)一組制作什么是PN結(jié)？ 在一塊n型（或者p型）半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎê辖鸱āU(kuò)散法、生長(zhǎng)法、離子注入法等）把p型（或者n型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在兩者的交界面處所形成的空間電荷區(qū)就是pn結(jié)。而空間電荷區(qū)之外的部分與獨(dú)立的摻雜半導(dǎo)體性質(zhì)相同，不屬于PN結(jié)區(qū)域。 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)的任何區(qū)域滿足n0p0=ni2。區(qū)、N區(qū)和N結(jié)內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。PN結(jié)的典型工藝方法（1）：高溫熔融的鋁冷卻后，高溫熔融的鋁冷卻后，n型硅片上形成高濃型硅片上形成高濃度度Al的的p型型Si薄層。它與薄層。它與n型硅襯底

2、的交界型硅襯底的交界面處就是面處就是PN結(jié)（這時(shí)稱為鋁硅合金結(jié)）。結(jié)（這時(shí)稱為鋁硅合金結(jié)）。P型區(qū)中施主型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度NA,均勻分步均勻分步; n型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度ND,均勻分布均勻分布;特點(diǎn)：交界面雜質(zhì)濃度發(fā)生突變。特點(diǎn)：交界面雜質(zhì)濃度發(fā)生突變。突變結(jié)突變結(jié)突變結(jié)：雜質(zhì)濃度由NA突變到ND,具有這種雜質(zhì)分布的pn結(jié)稱為突變結(jié)。上圖所示，pn結(jié)位置在x=Xj，則突變結(jié)雜質(zhì)分布： xXj,N(x)=Nd 實(shí)際上，兩邊雜質(zhì)相差很多，例如n區(qū)雜質(zhì)濃度為1016cm-3，p區(qū)為1019cm-3.通常成這種突變結(jié)為單邊突變結(jié)（這里是P+n結(jié)）。雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度從從p區(qū)到區(qū)到

3、n區(qū)逐漸區(qū)逐漸變化，稱為變化，稱為緩緩變結(jié)變結(jié)。在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用x=Xj處的切線近似表示，則稱為處的切線近似表示，則稱為線線性緩變結(jié)性緩變結(jié)，雜質(zhì)分布表示為：，雜質(zhì)分布表示為：PN結(jié)的典型工藝方法（2）：在在n型單晶型單晶硅片上擴(kuò)散硅片上擴(kuò)散受主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，形成形成pn結(jié)。結(jié)。雜質(zhì)分布：xNdxXj,NaNd擴(kuò)散結(jié)擴(kuò)散結(jié)為Xj處斜率，稱為雜質(zhì)濃度梯度。決定于擴(kuò)散雜質(zhì)的實(shí)際分布，可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。但是對(duì)于高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，Xj處斜率很大，這時(shí)擴(kuò)散結(jié)用突變結(jié)來(lái)近似。PN結(jié)的形成機(jī)理（1）： 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)自由電子為多子空穴

4、幾乎為零稱為少子，而P型區(qū)內(nèi)空穴為多子自由電子為少子，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。 由于自由電子和空穴存在濃度差，有一些電子從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。開(kāi)路中半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。 這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的寬度和摻雜物濃度有關(guān)空間電荷區(qū)的寬度和摻雜物濃度有關(guān)。在空間電荷區(qū)形成后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)形成了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。

5、顯然，內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止多子擴(kuò)阻止多子擴(kuò)散散。并且，內(nèi)電場(chǎng)在P、N交界處最強(qiáng)。內(nèi)電場(chǎng)作用促進(jìn)少子的內(nèi)電場(chǎng)作用促進(jìn)少子的漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)，使N區(qū)的少子空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的少子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場(chǎng)減弱。因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄

6、層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，由于基本上沒(méi)有自由載流子，所以也稱耗盡層也稱耗盡層。P、n兩側(cè)空間電荷總數(shù)相同，對(duì)外保持整體的電中性。PN結(jié)的形成機(jī)理（2）：兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)合成兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)合成pn結(jié)時(shí)，電子結(jié)時(shí)，電子從費(fèi)米能級(jí)從費(fèi)米能級(jí)高高的的n區(qū)流向費(fèi)米能區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)級(jí)低低的的p區(qū)區(qū)，空穴，空穴從從p區(qū)流區(qū)流到到n區(qū)區(qū)。EFn不斷下不斷下移（事實(shí)上，費(fèi)米移（事實(shí)上，費(fèi)米能級(jí)是隨著能級(jí)是隨著n區(qū)能帶下移），區(qū)能帶下移），EFp不斷上移不斷上移,直到直到EFn=Efp。這時(shí)這時(shí)PN結(jié)具有有結(jié)具有有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)Ef，

7、PN結(jié)處于結(jié)處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)PN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖PN結(jié)結(jié)費(fèi)米能級(jí)處處相等費(fèi)米能級(jí)處處相等標(biāo)志標(biāo)志PN結(jié)結(jié)達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，無(wú)擴(kuò)散、漂移電流流過(guò)。無(wú)擴(kuò)散、漂移電流流過(guò)。能帶相對(duì)移動(dòng)的原因是能帶相對(duì)移動(dòng)的原因是pn結(jié)空間結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)果。電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)果。隨內(nèi)建電場(chǎng)隨內(nèi)建電場(chǎng)(n p)不斷增大，不斷增大，V(x)不斷降低，電子電勢(shì)能不斷降低，電子電勢(shì)能-q V(x)由由n到到p不斷升高，所以不斷升高，所以P區(qū)能帶整區(qū)能帶整體相對(duì)體相對(duì)n區(qū)上區(qū)上移，移，n區(qū)能帶整體相區(qū)能帶整體相對(duì)對(duì)p區(qū)下區(qū)下移，直到移，直到具有統(tǒng)一具有統(tǒng)一費(fèi)米費(fèi)米能級(jí)，能帶相對(duì)移動(dòng)停止。能級(jí)，

8、能帶相對(duì)移動(dòng)停止。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化與電子的電勢(shì)能-qV(x)的變化一致，所以：PN結(jié)接觸電勢(shì)差如圖所示，在PN結(jié)的空間電荷區(qū)中，能帶發(fā)生彎曲，這是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果。因?yàn)槟軒澢?，電子從?shì)能低的n區(qū)向勢(shì)能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能到達(dá)p區(qū)，這一勢(shì)能“高坡”通常稱為PN結(jié)的勢(shì)壘，故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。圖中可知，勢(shì)壘高度正好補(bǔ)償了n區(qū)和p區(qū)費(fèi)米能級(jí)之差，使平衡pn結(jié)的費(fèi)米能級(jí)處處相等，因此有：qVD=EFn-EFp。nn0、np0分別為平衡時(shí)n、p區(qū)的電子濃度對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體可得：)exp(00TkEEnniFnin)exp(00TkEEn

9、niFpip兩式相除取對(duì)數(shù)可得：)(1ln000FpFnpnEETknnAipDnNnnNn200,因?yàn)?(ln)(1000pnFpFnDnnqTkEEqV接觸電勢(shì)差：平衡平衡時(shí)的時(shí)的pn結(jié)，取結(jié)，取p區(qū)電勢(shì)為零區(qū)電勢(shì)為零，則勢(shì)壘區(qū)中一點(diǎn)則勢(shì)壘區(qū)中一點(diǎn)x的電勢(shì)的電勢(shì)V(x)正值，正值， x點(diǎn)的電勢(shì)能為點(diǎn)的電勢(shì)能為E(x)=-qV(x)對(duì)非簡(jiǎn)并材料，對(duì)非簡(jiǎn)并材料， x點(diǎn)的電子濃度點(diǎn)的電子濃度n(x)，應(yīng)用第三章計(jì)算平衡時(shí)導(dǎo)，應(yīng)用第三章計(jì)算平衡時(shí)導(dǎo)帶載流子濃度計(jì)算方法帶載流子濃度計(jì)算方法 PN結(jié)的載流子分布：)exp(）2m（20230*3TkEETkxF因?yàn)橐驗(yàn)镋(x)=-qV(x)DcncnF

10、cnqVETkEENn),exp(00)exp(00TkEEnnxcnnx當(dāng)當(dāng) X=-Xp時(shí)，時(shí)，V(x)=0,n(-xp)=np0 )exp()(000TkqVnnxnDnppn(-xp)P區(qū)的少數(shù)載流子濃度。區(qū)的少數(shù)載流子濃度。)(exp(00TkqVxqVnDn同理，同理，X點(diǎn)空穴濃度為，點(diǎn)空穴濃度為， )(exp(00TkxqVqVppDnxpn0是平衡時(shí)是平衡時(shí)n區(qū)的少子濃度區(qū)的少子濃度當(dāng)當(dāng) X=Xn時(shí)，時(shí)，V(x)=VD,p(xn)=pn0 當(dāng)當(dāng) X=-Xp時(shí)，時(shí)，V(x)=0,p(-xp)=pp0 )exp()(000TkqVppxpDnpp)exp(000TkqVppDpn)e

11、xp(p0FVV0pTkEEN)(exp(）x（00TkxqVqVppDn)(exp(）x（n00TkqVxqVnDnX處電子濃度：X處空穴濃度：平衡半導(dǎo)體中pn結(jié)中載流子分布勢(shì)壘區(qū)載流子濃度的估計(jì)：)(exp()exp(0000TkqVxqVnTkEEnnDnxcnnx如設(shè)勢(shì)壘高度為0.7eV，則該處空穴濃度為：)）x（exp()(exp(0000TkqVpTkxqVqVpppDnx由上述數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于絕大多數(shù)勢(shì)壘區(qū)，其中雜質(zhì)雖然的都已電離，但是載流子濃度想對(duì)于n區(qū)和p區(qū)的多子濃度小得多，好像已經(jīng)耗盡了。所以通常稱勢(shì)壘區(qū)為耗盡層，即認(rèn)為其中載流子濃度很小，可以忽略不計(jì)，所以，空間電荷密度

12、就等于電離雜質(zhì)密度。pn結(jié)的單向?qū)щ娦?平衡pn結(jié)中，每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流相抵消，沒(méi)有凈電流通過(guò)pn結(jié)，想應(yīng)的在pn結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處處相等。 如果在pn結(jié)兩端外加電壓，就會(huì)破壞原來(lái)的平衡狀態(tài)，此時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流不再相等，因而pn結(jié)中將有電流通過(guò)。當(dāng)外加電壓極性不同時(shí)，pn結(jié)將表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電特性，即呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。外加正向電壓下，pn結(jié)勢(shì)壘變化和載流子運(yùn)動(dòng)：正向偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，將多子推向勢(shì)壘區(qū)，使其寬度減小，削弱了勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度，破壞了原來(lái)的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。勢(shì)壘區(qū)：載流子濃度很小，電阻很大；勢(shì)壘外：載流子濃度很大，電阻很小，

13、所以外加電壓主要降在勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘高度從qVD降到q（VD-V)。加正向偏壓時(shí)，電子擴(kuò)散n p，空穴擴(kuò)散p n；電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)在邊界PP處積累，PP處電子濃度大于P區(qū)電子濃度，形成向P區(qū)的電子擴(kuò)散流。 （空穴一樣）非平衡少子在擴(kuò)散過(guò)程中，不斷與多子復(fù)合，直到復(fù)合完畢，這段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)域。在正向偏壓一定時(shí)，單位時(shí)間從n區(qū)擴(kuò)散到PP處的非平衡少子濃度是一定的，并在擴(kuò)散區(qū)形成穩(wěn)定的分布，因此非平衡少子擴(kuò)散流不變。增大正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘降得更低，增大了流入p區(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流。通過(guò)pn結(jié)的總電流=通過(guò)邊界PP的電子擴(kuò)散電流+通過(guò)邊界nn的空穴擴(kuò)散電流非平衡載流子的電注入非平衡載流子的電注入：正

14、向偏壓使非平衡載流子：正向偏壓使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程。進(jìn)入半導(dǎo)體的過(guò)程。正向偏壓下正向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖在正向偏壓下在正向偏壓下，p、n區(qū)均有非平衡少子注入，必須用區(qū)均有非平衡少子注入，必須用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFn、EFp代替平衡時(shí)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)代替平衡時(shí)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)能帶特征：能帶特征：1.EFp 在在p區(qū)及勢(shì)壘區(qū)及勢(shì)壘區(qū)為水平線，在空區(qū)為水平線，在空穴擴(kuò)散區(qū)穴擴(kuò)散區(qū)(nn到到Lp區(qū)區(qū))為為斜線斜線；2. EFn 在在n區(qū)及勢(shì)壘區(qū)及勢(shì)壘區(qū)為水平線，在電區(qū)為水平線，在電子擴(kuò)散區(qū)子擴(kuò)散區(qū)(pp到到Ln區(qū)區(qū))為為斜線斜線；EFp 、Efn在擴(kuò)散區(qū)為斜線的原因：在擴(kuò)散區(qū)為斜線的原因：由于復(fù)由于復(fù)合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸減小減小正向偏壓下的特征：正向偏壓下的特征：1.P、n區(qū)具有各自的費(fèi)區(qū)具有各自的費(fèi)米能級(jí)米能級(jí)Efn、Efp；2. 有凈電流流過(guò)有凈電流流過(guò)pn結(jié)；結(jié)；3. 正向偏壓下，勢(shì)壘降正向偏壓下，勢(shì)壘降低低qV;4.qV=Efn-Efp；5.Efn位置高于位置高于 EFP外加反向電壓下，pn結(jié)勢(shì)壘變化和載流子運(yùn)動(dòng)：反向偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)一致，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度從qVD降到q（VD+V)。外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)加寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，加劇少子漂移運(yùn)動(dòng)，使漂