微电子技术（周雪峰）pn结

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1、上节知识回顾I...基本概念•本征半导体、非本征半导体；•平衡载流子、非平衡载流子；少子、多子•能带、导带、价带、禁带、费米能级•掺杂、施主、受主•输运、漂移、扩散、产生、复合1II.基本方程¢载流子分布和费米能级E−EFvp=Nexp(−)n=p=n0v00ikT0基本E−E本征半n=Nexp(−cF)方程0c导体E+EkTNkTcvv0E=E=+ln()Fi22Ncnp=n2=NNexp（-E/kT)00icvg0n≈Nn0Dp≈n2/Nn型半导体n0iDE=E-kTln(N/N)FccD非本征半导体p≈Np0An≈n2/Np型半导体p0i

2、AE=E+kTln(N/N)2FvvA¢电流密度方程：dnJ=nqμE+qDnnndxdpJ=pqμE−qDpppdxdndpJ=J+J=nqμE+qD+pqμE−qDtotalnpnnppdxdx¢载流子连续性方程：2∂∂∂∂nEnnnn−0=+++nμμEDG−nnnn2∂∂∂∂txxxτn2∂∂∂pEpp∂pp−0=−pμ−μE+DG+−pppp2∂∂∂txx∂xτp3半导体器件物理•p-n结•双极型晶体管（BJT）•金氧半场效应晶体管（MOSFET）•光电子器件4主要内容1.半导体器件基础结构2.平衡态p-n结（零偏压）3.外加偏压下p

3、-n结特性4.p-n结电容5.结击穿5半导体器件基础结构半导体器件包括60种主要器件和100多种与主要器件相关的变体，但其基本结构主要包括以下四种：半导体A半导体Bp型半导体n型半导体（a）异质结（b）p-n结（同质）•快速器件•整流器件，光电器件•光电器件•p-n-p双极晶体管•p-n-p-n：可控硅器件，开关器件6半导体器件基础结构氧化物金属半导体金属半导体（c）金属-半导体接触（d）MOS结构•整流接触•CCD•欧姆接触•MOSFET：由MOS结构和两个•金（属）半（导体）场pn结构成，是集成电路最重要效应晶体管，微波器件的器件。7pp-

4、-nn结p-n结在现代电子学中有着重要的应用，不仅在整流器、开关以及其它电子器件上被广泛应用，同时也是双极型晶体管、可控硅器件和MOSFET等器件的重要构成组件。pnp双极型晶体管结构MOSFET基本结构两个p-n结，背靠背结构两个pn结和一个MOS二极管主要内容1.半导体器件基础结构2.平衡态p-n结3.外加偏压下p-n结特性4.p-n结电容5.结击穿92.1平衡态p-n结的形成p型半导体n型半导体pn大量空穴大量电子受主离子施主离子少量电子少量空穴扩散电流©平衡态p-n结：没有外加偏压情况下的p-n结。©由于载流子浓度梯度差异，电子从n区扩

5、散到p区，空穴从p区扩散n区，形成扩散电流。©在p区侧区一侧和和n区一侧分别形成负电荷区(电离受主杂质和正电荷区（电离施主杂质）。称p-n结附近的电离受主和施主称为空间电荷，其存在区域为空间电荷区（耗尽区、内电场或势垒区）内电场或势垒区），载流子浓度很低，高阻区。10漂移电流Ep型半导体n型半导体pn大量空穴大量电子受主离子扩散电流施离施主离子子少量电子少量空穴©空间电荷区产生内电场，方向由n侧指向p侧。内电场作用下载流子做漂移运动，形成漂移电流，其方向与扩散电流相反。©随着扩散进行，空间电荷数量增加、内电场增强，直到载流子漂移和扩散运动相互抵

6、消，达到动态平衡，形成p-n结漂移电流Epn受主离子扩散电流施主离子p、n区载多子的扩杂质离子形成空间流子浓度差散运动电荷区和内电场阻止多子扩散形成平衡态扩散和漂移p-n结动态平衡促使少子漂移平衡态p-n结形成过程的动画示意12222.2平衡态p-n结的能带结构p型半导体n型半导体EEc导带cEFEiEFEvEv价带费米能级接近价带费米能级接近导带形成p-n结后能带和费米能级如何变化？132.2.1平衡态p-n结——费米能级热平衡态下，扩散电流等于漂移电流，净电流为零仅考虑空穴电流J：pdp1dEdpiJ=qpμE−qD=qpμ()−kTμpp

7、pppdxqdxdxkT1dEi其中(D=μ,E=，E为电场强度，Ei为本征费米能级)ppqqdx空穴浓度及其微分：E−EdppdEdEiFiFp=nexp()⇒=(−)代入上式得ikTdxkTdxdxdEJ=0dEFpFJp=μ=0ppdxdx当净空穴密度为零时，p-n结费米能级处处相等。14热平衡态下，扩散电流等于漂移电流，净电流为零仅考虑电子电流J：ndn1dEdniJq=−=nEqμμDqn()−kTμnnnnndxqdxdxkT1dEi其中(,DE==μ，为电场强度，为本征费米能级EEi)nnqqdx电子浓度及其微分：EE−dnndE

8、dEiFiFnn=⇒exp()=(−)代入上式得ikTdxkTdxdxdEJn=0dEFFJn=μ=0nndxdx当电子电流密度为零时，p-n结费米能