P型半导体和N型半导体接触

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1、第三章PN结热平衡状态下的p-n结耗尽区耗尽层势垒电容电流-电压特性电荷储存与暂态响应结击穿异质结p-n结(junction)：由p型半导体和n型半导体接触形成的结．p-n结最重要的特性是整流性，即只容许电流流经单一方向。右图为一典型硅p-n结的电流-电压的特性．当对p-n结施以正向偏压(p端为正)时，随着电压的增加电流会快速增加．然而，当施以反向偏压时，随反向偏压的增加几乎没有任何电流，电流变化很小，直到一临界电压后电流才突然增加．这种电流突然增加的现象称为结击穿(junctionbreakdown)．外加的正向电压通常小于1V

2、，但是反向临界电压或击穿电压可以从几伏变化到几千伏，视掺杂浓度和其他器件参数而定。热平衡状态下的p-n结p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘．p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。能带图(banddiagram)：热平衡状态下的p-n结费米能级的相关性在热平衡条件下，一个系统中的费米能级总是保持为一个相等的常数。考虑两个特定的材料系统，热平衡状态下分别具有各自的费米能级，当二者紧密接触之后，统一后的整个系统中，电子将首先填充

3、最低的能态，因此电子将从费米能级高的材料中流向费米能级低的材料，直到二者具有统一的费米能级。这个过程如图所示。当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧．当空穴持续离开p侧，在结附近的部分负受主离子NA－未能够受到补偿，此乃因受主被固定在半导体晶格，而空穴则可移动．类似地，在结附近的部分正施主离子ND+在电子离开n侧时未能得到补偿．因此，负空间电荷在接近结p侧形成，而正空间电荷在接近结n侧形成．此空间电荷区域产生了一电场，其方向是由正空间电荷指向

4、负空间电荷，如图上半部所示．热平衡状态下的p-n结对个别的带电载流子而言，电场的方向和扩散电流的方向相反．图下方显示，空穴扩散电流由左至右流动，而空穴漂移电流因为电场的关系由右至左移动．电子扩散电流由右至左流动，而电子漂移电流移动的方向刚好相反．应注意由于带负电之故，电子由右至左扩散，恰与电流方向相反。热平衡状态下的p-n结平衡费米能级(equilibriumFermilevels)：在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电

5、流完全抵消．即由空穴浓度的关系式和其导数其中对电场用了和爱因斯坦关系式热平衡状态下的p-n结将上式，即得到净空穴电流密度为或同理可得净电子电流密度为因此，对净电子和空穴电流密度为零的情况，整个样品上的费米能级必须是常数(亦即与x无关)，如前图所示的能带图。代入下式，即热平衡状态下的p-n结内建电势(built-inprotential)Vbi：在热平衡下，定值费米能级导致在结处形成特殊的空间电荷分布．对图(a)及(b)表示的一维p-n结和对应的热平衡能带图,空间电荷分布和静电电势的特定关系可由泊松方程式(Poisson’sequa

6、tion)得到，这里假设所有的施主和受主皆已电离在远离冶金结(metallurgicaljunction)的区域，电荷保持中性，且总空间电荷密度为零．对这些中性区域，上式可简化为即热平衡状态下的p-n结p型中性区相对于费米能级的静电电势，在图中标示为ψp。对于p型中性区，假设ND=0和p>>n，可以由设定ND=n=0及将结果p=NA代入式由于得到热平衡状态下的p-n结n在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi同理，可得n型中性区相对于费米能级的静电势为由上二式可计算出在不同掺杂浓度时，硅和砷化镓的和ψn值的大小，

7、如图所示．对于一给定掺杂的浓度，因为砷化镓有较小的本征浓度，其静电势较高．热平衡状态下的p-n结由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域，进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的宽度。空间电荷(spacecharge)：热平衡状态下的p-n结在p=n=0时．式变成

8、热平衡状态下的p-n结例1:计算一硅p-n结在300K时的内建电势，其NA＝1018cm-3和ND＝1015cm-3．解由式得到或由右图得到热平衡状态下的p-n结突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在