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?、擴(kuò)散法、生長法、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。Ｐ區(qū)、N區(qū)和ＰN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，n型硅片上形成高濃度Al的p型Si薄層。它與n型硅襯底的交界面處就是PN結(jié)（這時(shí)稱為鋁硅合金結(jié)）。P型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度NA,均勻分步;n型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度ND,均勻分布;特點(diǎn)：交界面雜質(zhì)濃度發(fā)生突變?！蛔兘Y(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：x<Xj,N(x)=Na

x>Xj,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)濃度從p區(qū)到n區(qū)逐漸變化，稱為緩變結(jié)。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，則稱為線性緩變結(jié)，雜質(zhì)分布表示為：PN結(jié)的典型工藝方法（2）：在n型單晶硅片上擴(kuò)散受主雜質(zhì)，形成pn結(jié)。雜質(zhì)分布：x<Xj,Na>Ndx>Xj,Na<Nd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)。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。內(nèi)電場方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，內(nèi)電場的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，阻止多子擴(kuò)散。并且，內(nèi)電場在P、N交界處最強(qiáng)。內(nèi)電場作用促進(jìn)少子的漂移運(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)電場減弱。因此，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)。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)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于基本上沒有自由載流子，所以也稱耗盡層。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pn結(jié)時(shí)，電子從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴從p區(qū)流到n區(qū)。EFn不斷下移（事實(shí)上，費(fèi)米能級(jí)是隨著n區(qū)能帶下移），EFp不斷上移,直到EFn=Efp。這時(shí)PN結(jié)具有有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)Ef，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)PN結(jié)能帶圖PN結(jié)費(fèi)米能級(jí)處處相等標(biāo)志PN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，無擴(kuò)散、漂移電流流過。能帶相對(duì)移動(dòng)的原因是pn結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。隨內(nèi)建電場(np)不斷增大，V(x)不斷降低，電子電勢能-qV(x)由n到p不斷升高，所以P區(qū)能帶整體相對(duì)n區(qū)上移，n區(qū)能帶整體相對(duì)p區(qū)下移，直到具有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，能帶相對(duì)移動(dòng)停止。電流密度方程式推導(dǎo)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能-qV(x)的變化一致，所以：

PN結(jié)接觸電勢差如圖所示，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)中電勢能變化的結(jié)果。因?yàn)槟軒澢?，電子從勢能低的n區(qū)向勢能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢能“高坡”，才能到達(dá)p區(qū)，這一勢能“高坡”通常稱為PN結(jié)的勢壘，故空間電荷區(qū)也叫勢壘區(qū)。

圖中可知，勢壘高度正好補(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)于非簡并半導(dǎo)體可得：兩式相除取對(duì)數(shù)可得：接觸電勢差：

平衡時(shí)的pn結(jié)，取p區(qū)電勢為零，則勢壘區(qū)中一點(diǎn)x的電勢V(x)正值，x點(diǎn)的電勢能為E(x)=-qV(x)對(duì)非簡并材料，x點(diǎn)的電子濃度n(x)，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PN結(jié)的載流子分布：因?yàn)镋(x)=-qV(x)

當(dāng)X=-Xp時(shí)，V(x)=0,n(-xp)=np0

n(-xp)P區(qū)的少數(shù)載流子濃度。同理，X點(diǎn)空穴濃度為，pn0是平衡時(shí)n區(qū)的少子濃度當(dāng)X=Xn時(shí)，V(x)=VD,p(xn)=pn0

當(dāng)X=-Xp時(shí)，V(x)=0,p(-xp)=pp0

X處電子濃度：X處空穴濃度：平衡半導(dǎo)體中pn結(jié)中載流子分布勢壘區(qū)載流子濃度的估計(jì)：

如設(shè)勢壘高度為0.7eV，則該處空穴濃度為：由上述數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于絕大多數(shù)勢壘區(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，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)密度。pn結(jié)的單向?qū)щ娦云胶鈖n結(jié)中，每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流相抵消，沒有凈電流通過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。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)勢壘變化和載流子運(yùn)動(dòng)：正向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)電場方向相反的電場，將多子推向勢壘區(qū)，使其寬度減小，削弱了勢壘區(qū)的電場強(qiáng)度，破壞了原來的平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，漂移運(yùn)動(dòng)減弱。勢壘區(qū)：載流子濃度很小，電阻很大；勢壘外：載流子濃度很大，電阻很小，所以外加電壓主要降在勢壘區(qū)。勢壘高度從qVD降到q（VD-V)。加正向偏壓時(shí)，電子擴(kuò)散np，空穴擴(kuò)散pn；電子通過勢壘區(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pn結(jié)的總電流=通過邊界PP’的電子擴(kuò)散電流+通過邊界nn’的空穴擴(kuò)散電流非平衡載流子的電注入：正向偏壓使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程。正向偏壓下pn結(jié)的能帶圖在正向偏壓下，p、n區(qū)均有非平衡少子注入，必須用準(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)能帶特征：EFp

在p區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在空穴擴(kuò)散區(qū)(nn’到Lp區(qū))為斜線；

EFn

在n區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在電子擴(kuò)散區(qū)(pp’到Ln區(qū))為斜線；EFp、Efn在擴(kuò)散區(qū)為斜線的原因：由于復(fù)合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸減小正向偏壓下的特征：P、n區(qū)具有各自的費(fèi)米能級(jí)Efn、Efp；有凈電流流過pn結(jié)；正向偏壓下，勢壘降低qV;qV=Efn-Efp；Efn位置高于

EFP外加反向電壓下，pn結(jié)勢壘變化和載流子運(yùn)動(dòng)：反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場一致，勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度從qVD降到q（VD+V)。外電場使空間電荷區(qū)加寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場，阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，加劇少子漂移運(yùn)動(dòng)，使漂移流大于擴(kuò)散流。少