第1章 PN结二极管(前4节).ppt

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1、1半导体器件原理西南科技大学应用物理专业2第1章pn结二极管电子器件基础PN结二极管pn结是结型半导体器件如结型晶体管、场效应晶体管的心脏；在制造晶体二极管，晶体三极管和场效应晶体管等结型器件时，其主要工艺就是制造性能良好的pn结；深入地了解和掌握pn结的基本理论是学习晶体管等结型器件原理的重中之重。31.1PN结的形成原理与方法1.2平衡PN结1.3PN结空间电荷区电场和电位分布1.4PN结势垒电容1.5PN结直流特性1.6PN结小信号交流特性与开关特性1.7PN结击穿特性本章内容：4掌握PN结的形成、杂质

2、分布，空间电荷区的能带、电场、电位分布，直流特性的物理机理和数学表达式，电容和小信号交流特性，开关特性和击穿特性；理解泊松方程、连续性方程、电荷控制方程的物理意义和解法。本章要求：n(p)5第1节pn结的制作p(n)pn结二极管符号+_pn结的结构在n(p)型半导体上以适当方法(合金、扩散、外延生长、离子注入)把掺入p(n)型杂质掺入形成pn结6合金法形成pn结n-SiAln-SiAl+Sip-Sin-SIn型衬底与p型再结晶层杂质均匀分布，在分界处浓度突变。7突变结单边突变结：NA>>NDp+—n结ND>>

3、NAn+—p结衬底材料为低杂质浓度pn结两边杂质均匀分布，杂质浓度NA(p区)、ND(n区)为常数，在pn结交界处(xj)突变。N(x)=NAxxj突变结的杂质分布8扩散法形成pn结n-SiSiO2P型杂质n-Sip型杂质P-Sin-Si扩散结的杂质分布氧化、光刻、扩散扩散结的杂质分布净杂质浓度随位置的变化pn结的杂质分布一般可归纳为：突变结和线性缓变结。合金法和高表面浓度浅扩散结，xj处aj很大，近似突变结；对于低表面浓度的深扩散，可以认为线性缓变结。11（1）恒定源扩散误差函数er

4、f(x)余误差函数erfc(x)N（xj）=0时，得扩散结深：反余误差函数表面杂质浓度恒定不变，杂质分布为余误差分布：12（2）限定源扩散N(xj)=0时，得扩散结深：Q为扩散杂质总量，表面浓度杂质总量限定，杂质浓度分布为高斯分布：13第2节平衡PN结1空间电荷区P型：杂质原子——空穴正电荷+负离子电荷N型：杂质原子——电子负电荷+正离子电荷处于电中性平衡状态，ni2=ppnp=nnpn+●+●+●+●+●+●+●+●+●﹣○﹣○﹣○﹣○﹣○﹣○﹣○﹣○﹣○P(NA)N(ND)——没有任何外加作用的PN结14

5、﹣○﹣○﹣﹣﹣﹣○﹣○﹣○﹣○P+++●+●++●+●+●+●N交界处附近，P区的空穴向N区扩散，留下负离子电荷——受主离子电荷（杂质原子放出空穴即接受电子）；N区的电子向P区扩散，留下正离子电荷——施主离子电荷（杂质原子放出电子）。在一块半导体不同区域通过工艺形成P型和N型15﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣○﹣○﹣○P+++++++●+●+●NExpxnQ+Q-内建电场E：在PN结形成时，空间电荷区正、负电荷之间建立电场，方向为N指向P。空间电荷区：在交界处附近一定空间内，存在电荷Q+、Q－，xp为Q－的宽度，xn为Q+的

6、宽度，且Q+=Q－。电离层：空间电荷区内的电荷是固定的离子电荷。16﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣○﹣○﹣○P+++++++●+●+●NExpxnQ+Q-动态平衡：载流子的扩散运动（杂质浓度梯度决定）和漂移运动（电场决定）作用相等，净电流为0。阻挡层：自建电场E阻挡N区的电子向P区继续扩散，阻挡P区的空穴向N区继续扩散。耗尽层：自建电场E的作用，在空间电荷区无自由载流子积累。高阻区：空间电荷区自由载流子耗尽，呈现出高阻抗，固定离子电荷不能导电。﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣○﹣○﹣○P+++++++●+●+●NExpxnQ+Q-耗尽层：Q+

7、=Q-即：qNAAxp=qNDAxn空间电荷区的宽度主要在低掺杂一侧182能带图反映材料的导电特性ECEFNEVEgEVEFPECPN单独的P、N型半导体，禁带宽度Eg反映材料导电能力的大小；费米能级EF反映材料的导电类型和掺杂浓度的大小。19能带图平衡态PN结PN结无外加作用，可证明有统一的费米能级EF（见推导）；电场E使能带弯曲qVD——势垒高度(势垒区)；空间电荷区能量变化，两端有电势差VD——接触电势差；空间电荷区外无电场，能量与电势不变。﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣○﹣○﹣○P+++++++●+●+●NExpxn

8、ECEFEVqVDVDxn-xpxoφ(x)φnφp结构图电势图Eg-xpxnW(x)WnWpx电势能图Ei20自建电场：φ(x)：PN结的电势分布函数能级变化：W(-xp)－W(xn)=q(φn－φp)=qVD电位能差：电子电位能：1、电场的方向指向电势能或本征能级增加的方向2、凡是有电场的地方，能带一定发生弯曲！3、电子从N区到达P区必须要具有qVD的能量，相当于要越过一个势垒高度，能量坡的空间