半导体物理讲义-9

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1、第四部分PN结和金属-半导体接触一、热平衡状态下的PN结PN结是很多半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析这些器件特性的基础。PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点：存在两种载流子；载流子有漂移、扩散和产生-复合三种基本运动形式等。因此，PN结做为半导体特有的物理现象，一直受到人们的重视。我们主要结合较为简单的模型，着重分析PN结中的物理过程。在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。一种简单的情况：N型区均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND；P型区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为NA；在P型区和N型区交界面处，杂质分布有一突变，(如左

2、图)，这种情况称为突变结．因为这种杂质分布比较简单，我们主要就结合突变结进行分析，得到的结论绝大部分对于其他类型的杂质分布情况同样是适用的。实际PN结制作方法通常采用下面两种方法中的任意一种制作：1)给P型半导体的一部分掺加施主原子(或者相反，在n型中掺加受主原子)。施主浓度超过受主浓度的部分即转变为n型，从而制成PN结。制作工艺有：合金法、扩散法、离子注入法等。图合金法制造PN结过程用合金法制成的PN结就是突变结。图扩散法制造PN结过程图扩散结的杂质分布(a)扩数结，(b)线性缓变结近似，(c)突变结近似2)在P型半导体上生长新的n型半导体(或相反)制作工艺有：外延生长法等。1、PN结的接

3、触电位差在研究不同半导体间相互连接(PN结)或同一半导体内各处的不均匀问题时，费米能级的概念是特别有用的。因为在这样的问题中，费米能级的高低直接决定着电子的流动或平衡。如果各处费米能级高低不一，就表示电子是不平衡的，电子要从费米能级高的地方流向费米能级低的地方。只有当各处的费米能级高低相同，各处电子处于相对平衡时，才没有电流的流动。下面我们应用费米能级来讨论PN结的接触电位差。在半导体的PN结中，由于两边的材料内电子和空穴的浓度不相同，电子通过扩散进入P区，留下失去电子的施主正离子，PN结中靠近N区一侧有正电荷；同理，P区一侧有负电荷，因而形成一个空间电荷区。空间电荷区中产生电场（称自建电场

4、）。电场方向是从n区指向p区。在该电场作用下，电子向n区运动，空穴向P区运动。即自建电场引起的漂移运动和扩散运动方向相反，电场具有抑制扩散运动的作用。直到两种运动(漂移运动和扩散运动)间产生平衡，电子、空穴的净电流为零。从而保持两边P型和N型区间的相对平衡。这就是热平衡状态下的PN结。PN结空间电荷区内存在电场表示在P型和N型两部分之间存在一定的电位差，称为接触电位差。上图表示一个PN结，一边是N型，EF在禁带的上半部，我们用(EF)n表示，另一边是P型，EF在禁带下半部，我们用(EF)p表示。由于(EF)n＞(EF)p，即费米能级高低不同，所以电子从N型流向P型。正是电子的这种流动在两部分

5、间形成了空间电荷区，并产生接触电位差，从电子流动的方向可以知道，P型相对N型的电位差为负值，我们用-V0来表示：接触电位差(P区相对N区)＝-V0我们取N区电位为0，所以P区的电位就是-V0，从费米能级来看，正是这个电位差使原来两边高低不同的费米能级被调整到同一水平，从而实现了平衡。为什么这个电位差能改变费米能级呢？因为P型区具有电位-V0所以P区中所有电子都因此而具有一个附加电位能：电位能=qV0因为能带图本来表示的就是在各能级中的电子的能量，所以p区中的电子，不管它在哪一个能级上，现在都增加了这么一个能量，反映在能带图上就是使整个P区的能带升高qV0，图中的箭头qV0就是表示接触电位差应

6、使P区的费米能级(连同整个能带)提高qV0后与N区拉平，所以有由此看到，接触电位差完全是由原来两边费米能级之差决定的。将N型和P型的费米能级公式代入上式得到从这个结果可以看出，PN结的接触电位差决定于两侧N区和P区的掺杂浓度，掺杂浓度ND和NA越高，接触电位差也就越大。2、PN结的能带图和PN结中的载流子浓度左图是PN结形成接触电位差后，处于平衡状态(不加电压，没有电流)时的能带图。左边是N区，右边是P区，中间是空间电荷区，用座标x表示，右边的前头表示P区能带比N区高qV0。它是由接触电位差所引起的。为什么能带在空间电荷区呈弯曲形状？这实际上反映从N区到P区能带是随着电子的电位能-qV(x)

7、逐步提高的。x从N区到P区，电位V(x)由0变到-V0，相应地能带从N区开始逐步提高，到P区边界正好提高到qV0。在PN结能带图上，能带是弯曲的，然而费米能级则贯穿PN结保持为一条水平横线。这是平衡PN结的特征，它表示各处费米能级相等，电子处于相互平衡，没有电流流动。电子和空穴浓度在PN结中的变化：我们用nN和pN分别表示N区的多子(电子)和少子(空穴)的浓度，用pp和np分别表示P区的多子(空穴)和少子(电