半导体物理第六章PN结.pdf

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1、第第第第六六六六章章章章pnpnpnpn结结结结第六章第六章Part1Part16.1热平衡条件下的pn结6.2pn结的伏安特性什么是PN结通过合金法、扩散法和离子注入法等，往某一型号半导体基片的局部掺入异型杂质，由于杂质的补偿作用，在掺入杂质浓度超过基片杂质浓度的地方半导体呈反型。这时在基片内便形成了p型和n型两种型号的半导体的“接触”，称之为pn结。热平衡条件下的热平衡条件下的pnpn结结一、PN结的分类可分为突变结和缓变结3N/cm3N/cmN0线性缓变近似+PNDNDnxϕ0xj0xjx二、空间电荷区与内建电场电子由n型区向p型区扩散，并不断与p型区空穴复

2、合。界面n区一侧的电离施主因得不到相应的电子中和，产生了正电荷区；空穴由p型区向n型区扩散，并不断与n型区电子复合。界面p区一侧的电离受主因得不到相应的空穴中和，产生了负电荷区。由此形成空间电荷区，并产生了内建电场，引起电子和空穴的漂移电流。___++___当漂移电流与扩散电流相等时，pn结中净电++___++流为零。此时，pn结形成一个统一的热平衡p___++n___++系统，有统一的EF，自建电场也保持恒定。___++___++___在空间电荷区内，正、负电荷总量相等使电++场被屏蔽，在空间电荷区外电场为零，保持xpE0xn电中性。xD三、空间电荷区的电场分布

3、与PN结能带图在空间电荷区范围内解泊松方程，以一维情况为例：dV2ρ(x)=−2dxεεs0−+其中，ρ(x)=q[−pA(x)+px()+nD(x)−nx()]耗尽层近似：在空间电荷区内载流子是耗尽的，空间电荷区电荷是由电离施主或电离受主形成的，即nx()=0，px()=0在耗尽层近似下，只要知道pn结附近的杂质分布，假定杂质全部电离，则电荷密度ρ(x)就直接由杂质浓度决定了。三、空间电荷区的电场分布与PN结能带图1、突变结已知：−qNA−(xp<<0x)ρ(x)={qND<<(0xxn)将ρ(x)的表达式代入泊松方程，并积分，再利用界条件确定积分结果中的常数：

4、解得空间电荷区内电场分布为：qNA⎧⎪ε(x)=−(xx+p)−(xp<>N，有xn>>xp，

5、记为pnADN>>N+对于DA，有x>>x，记为nppn�空间电荷区几乎都在低掺杂区一侧，把这种结称为单边突变结。三、空间电荷区的电场分布与PN结能带图对电场再积分一次得到电势分布：qNA2qNA⎧Vx1()=x+xxDp+(−1xp<<)x0⎪2εεs0εεs0⎨⎪qND2qNDVx2()=−x+xxDn+2(0<

6、εs0εεs0⎨qND22qNDVxV2()=D−(x+xn)+xxn<<(0xxn)⎪⎩2εεs0εεs0�可以看出，在空间电荷区中电位分布是抛物线形式。三、空间电荷区的电场分布与PN结能带图因为在空间电荷区电位分布是连续的，那么在x=0处，V1(0)=V2(0)，由此可得：q22VD=(NxAp+NxDn)2εεs0因为Q=qNxDn=qNxAp，且xn+xp=xD，由此可得：1⎡2εε⎛N+N⎞⎤2x=⎢s0⎜ADV⎟⎥DDqNN⎣⎝AD⎠⎦三、空间电荷区的电场分布与PN结能带图2、线性缓变结x=x如果在p区和n区的分界处（j处），杂质分布可以近似用该处的切

7、线表示，这种缓变结称为线性缓变结，此时有效杂质分布为：N−N=α(xx−)DAjj式中αj是x=xj处的切线斜率，即杂质浓度梯度（此处取xj=0），则空间电荷区的电荷密度为:ρ()x=qαjx2泊松方程为:dVx()ρ(x)qαjx=−=−2dxεεεεs0s0⎛xD⎞qαj2qαj2对上式积分，并利用边界条件ε⎜±⎟=0,得：ε(x)=x−xD⎝2⎠2εεs08εεs0三、空间电荷区的电场分布与PN结能带图qαj2在x=0处，ε(0)最大，即：εmax=ε(0)=xD8εεs0表明ε(x)随x呈抛物线变化。再积分一次，并设x=0处V(0)=0，则得：qαqαj3

8、j2Vx(