半导体物理 第六章 pn结

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1、第六章pn结本章主要内容6.1pn结及其能带图；6.2pn结电流、电压特性；6.3pn结电容；6.4pn结击穿特性；6.5pn隧道特性；Pn相关器件认识二极管整流桥主要面向计算机主板、硬盘驱动器、手机充电器、紧急照明以及笔记本电脑的背光照明等应用。蓝紫光半导体太阳能电池LED天花灯LED地灯LED球泡灯LED球泡灯LED射灯LED手电筒LED手电筒LED花园灯第六章PN结一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。6.1PN结及其能带图6.1.1PN结的形成及其杂质分布Pn结的形成在一块n型半导体上掺入p型杂质

2、，在交界面上形成pn结.高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度的p型薄层。P型杂质浓度NA,n型杂质浓度ND,特点：交界面浓度发生突变。在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。杂质浓度从p到n逐渐变化，称为缓变结。为杂质浓度梯度。6.1.2pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷（不可移动）。所在的区域为空间电荷区产生漂移电流6.1.3电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp，最后，Pn具有统一费米能级EF,Pn结处于平衡状态。能带发生整体相对移动与pn结空间电荷区中存在内建电场有关。随内建电场(np

3、)不断增大，V(x)不断降低，电子电势能-qV(x)由n到p不断升高P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。直到具有统一费米能级Pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致动态平衡时同理，空穴电流密度为：电流密度与费米能级的关系对于平衡的pn结，Jn,Jp均为零，因此，EF=常数当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小，而载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大。6.1.4VD称为pn结的接触电势差或内建电势差.qVD为pn结的势垒高度.平衡时pn结的费米能级处处相等.qVD=EFn-EFpnn0、

4、np0分别为平衡时n、p区的电子浓度qVD=EFn-EFp在一定温度下，掺杂浓度越高，VD越大；ni越小，VD越大势垒高度6.1.5平衡时pn结，取p区电势为零，势垒区一点x的电势V(x)，x点的电势能为E(x)=-qV(x)对非简并材料，x点的电子浓度n(x)，应用第三章计算平衡时导带载流子浓度计算方法因为E(x)=-qV(x)当X=Xn时，V(x)=VD,n(x)=nn0当X=-Xp时，V(x)=0,n(-xp)=nn0n(-xp)P区的少数载流子浓度。X点空穴浓度为，pn0是平衡时n区的少子浓度当X=Xn时，V(x)=VD,p(xn)=pn0当X=-Xp时，V(x)=0,p(-x

5、p)=pp0平衡时，pn结具有统一的费米能级，无净电流流过pn结。1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与内建电场方向相反，势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流子浓度很大，电阻很小；产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小；载流子扩散流〉漂移流，净扩散流〉0；宽度减小；势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)正向偏移下，非平衡状态N区电子扩散向P区；P区空穴扩散向N区非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中，不断与多子复合，直到复合完毕，这段扩散过程称为扩散长度。一定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp’边界的电子浓度

6、时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。PP’处电子浓度〉P区空穴浓度，形成向P区的电子扩散流。注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界面的总电流是相等的。总电流=扩散电流+漂移电流扩散电流〉漂移电流反向偏移下，非平衡状态外加反向电场与内建势场方向一致。现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；宽度增大；势垒高度升高(高度从qVD升高到q（VD+V)；使漂移电流〉扩散电流少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被势垒区强场驱向p区，

7、p区边界pp’处的电子被驱向n区。反向电流=nn’区少数载流子电流+pp’少数载流子电流2.外加直流电压下，pn结的能带图外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须用准费米能级EFn、EFp代替平衡时的统一费米能级能带特征：EFp在p区及势垒区为水平线，在空穴扩散区(nn’到Lp区)为斜线；EFn在n区及势垒区为水平线，在电子扩散区(pp’到Ln区)为斜线；EFp、Efn在扩散区为斜线的原因：由于复合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐减小