半导体器件课件西安交通大学 pn_01_electrostatics.ppt

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1、第5章pn结的静电特性第6章pn结直流电流－电压特性第7章pn结小信号频率特性第8章pn结的开关特性ThepnJunction结（junction）？结是两种材料（至少有一种是半导体）之间的界面pn结特指同一块半导体中p型区和n型区的交界面结是构成半导体器件的基本结构单元pnJunction（pn结）MOSStructure（MOS结构，Metal-Oxide-Silicon）Metal-SemiconductorJunction（金属-半导体结，肖特基结、欧姆接触）Heterojunction（异质结，两种不同半导体材料构成）Mostsemiconductordevicesc

2、ontainatleastonepnjunction,anditscharacteristicsareintimatelyconnectedtothesepnjunctionpnJunctionEverywhere!Thebasicterminology，conceptsandtechniqueusedforthepnjunctionwillalsobeappliedtoothersemiconductordevicesUnderstandingthephysicsofthepnjunction,therefore,isanimportantstepinthestudyofse

3、miconductordevices第5章pn结的静电特性静电特性：pn结的电荷、电场和电位分布5.1、pn结的形成和杂质分布5.2、pn结空间电荷区的电场和电位分布pn结的基本结构平衡pn结的空间电荷区和能带图泊松方程、耗尽层近似5.1pn结的形成和杂质分布pn结是由一块含有p型区和n型区的半导体单晶构成，p区和n区的交界面称为结（冶金结）1、pn结的基本结构扩散窗口结边界平行平面结：结面是无穷大的平面杂质浓度分布：杂质浓度（单位体积中杂质原子的数目）随位置（通常指垂直于芯片表面方向）变化的关系曲线。扩散结和注入结，其杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，称为缓变结。缓变结杂质分

4、布的数学表示式是比较复杂的。在器件分析中，通常用突变结和线性缓变结这两种理想的杂质分布近似实际的杂质分布，以避免数学分析的复杂性。突变结杂质浓度分布的特点：p区和n区的杂质浓度都是均匀分布的，在交界面处杂质浓度有一个突然的跃变；线性缓变结杂质分布的特点：在结附近两侧杂质浓度随距离线性变化，杂质浓度梯度aj为常数。突变结和线性缓变结是实际结杂质浓度分布的两个极端近似。突变结适用于表面浓度较高结深较浅的结，线性缓变结适用于表面浓度较低结深较深的缓变结。单边突变结（p+n结或n+p结）：一边的杂质浓度远大于另一边pn结空间电荷区pn结结面两侧存在一个带正负电荷的区间，称为空间电荷区。

5、空间电荷区的p型一侧为负电荷，n型一侧为正电荷。正负电荷形成的电场，叫自建场。自建场的方向由n区指向p区PN空间电荷区自建场E2、平衡pn结的空间电荷区和能带图平衡pn结，指没有外加电压、光照、辐射且内部温度恒定条件下的pn结。空间电荷区形成的原因？均匀掺杂的半导体，在热平衡时，是电中性的p型区和n型区接触的瞬间，电子和空穴分别向结的相反方向扩散漂移与扩散相互抵消，形成空间电荷区空间电荷区以外的区域，在特性上与孤立的半导体是完全一样的，称为（准）中性区均匀掺杂的n型半导体的简化能带图电子能量在平衡条件下，一个系统的费米能级是与位置无关的量（即在能带图中费米能级是一条水平直线）能

6、带图与静电势静电势定义为对上式求导有能带图所包含的信息与半导体内的静电场（电势）有关，当半导体内存在电场时，会引起能带随空间位置的变化（称为能带的弯曲）载流子浓度与电势的关系式中电子的费米势空穴的费米势接触前P-typen-type接触后热平衡pn结的能带图平衡pn结有统一的费米能级在空间电荷区能带是弯曲的平衡pn结的内建电势空间电荷区也称为势垒区从能带图上来看，内建电势由原来两边的费米能级之差决定：内建电势也可由平衡时流过pn结净电流为零得到：3、泊松方程、耗尽层近似求解半导体基本方程的方法数值模拟在一定近似条件下解析求解（基本物理参数建模、杂质分布的近似、对基本方程的简化）

7、本课程讨论基本方程的解析求解数学上对基本方程的最重要的简化是将三维形式的方程简化为一维形式。如泊松方程的一维形式为：半导体器件的静电特性由Possion方程描述:另一个重要的简化是将整个器件分为若干个区，然后在各个区中视具体情况对基本半导体方程做相应的简化后进行求解。pn空间电荷区中性区中性区以P区为电位参考点PN＋－体电荷密度突变的耗尽层近似：（1）空间电荷区内载流子全部耗尽（即与净杂质浓度相比，自由载流子数目可以忽略不计），电离杂质提供空间电荷。（2）空间电荷的分布在边界上突变过渡到零。