尼曼-半导体物理与器件第七章课件.ppt

《尼曼-半导体物理与器件第七章课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第七章pn结0高等半导体物理与器件第七章pn结第七章pn结1固体物理量子力学平衡半导体载流子输运非平衡半导体双极晶体管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件MOS结双端MOS结构统计物理能带理论第七章pn结2概述前情提要热平衡状态下的电子与空穴浓度，确定费米能级位置存在过剩电子与空穴的非平衡状态本章内容pn结的静电特性后续通用性建立一些基本术语和概念分析pn结的基本技巧也适用于其他半导体器件第七章pn结3主要内容pn结的基本结构及重要概念pn结零偏下的能带图pn结空间

2、电荷区的形成，内建电势差和空间电荷区的内建电场反偏pn结空间电荷区变化——势垒电容突变结第七章pn结4pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等。分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程。第七章pn结5同一半导体内部，一边是p型，一边是n型，在p型区和n型区交界面（冶金结）附近形成pn结。不简单等价于一块p型半导体和n型半导体的串联。pn结具有特殊的性质：单向导电性，是许多重要半导体器件的核心。

3、突变结：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，杂质的浓度有一个突然的跃变。7.1pn结的基本结构冶金结第七章pn结6pn结的空间电荷区和内建电场浓度差多子扩散杂质离子形成空间电荷区内建电场阻止多子的进一步扩散促进少子的漂移动态平衡（零偏）耗尽区空间电荷区内建电场第七章pn结7pn结两侧电子空穴浓度梯度，电子空穴分别由n型区、p型区向对方区域扩散，同时n型区留下固定的带正电施主离子，p型区留下固定的带负电受主离子。此固定的正负电荷区为空间电荷区，空间电荷区中形成内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子漂移运动与

4、扩散运动方向相反，最后达到平衡。空间电荷区载流子基本耗尽，因此空间电荷区称作耗尽区。pn结指p型和n型半导体形成的界面，该界面包括整个空间电荷区在内的区域。而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性质相同，不属于pn结区域。基本耗尽：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）n0p0=ni2成立第七章pn结87.2零偏平衡态的pn结空间电荷区中存在一个内建电场，该电场在空间电荷区的积分就形成一个内建电势差，从能带图角度看在n型和p型区间建立一个内建势垒，该内建势垒高度：内建电势

5、差维持n区多子电子与p区少子电子间以及p区多子空穴与n区少子空穴间的平衡（扩散与漂移的平衡）。由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势垒区。第七章pn结9平衡状态pn结：参照前边图中Fn、Fp的定义：则内建电势差为：注意：Nd、Na分别表示n区和p区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度。接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关。（1）内建电势差第七章pn结10（2）电场强度pn+-E-xp+xn+eNd-eNa内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度和电荷

6、密度关系由泊松方程确定：其中，为电势，E为电场强度，ρ为电荷密度，εs为介电常数。从图可知，电荷密度ρ(x)为：突变结ρ(C/cm3)第七章pn结11p侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件：x=-xp时，E=0相应，n侧空空间电荷区电场：边界条件：x=xn时，E=0第七章pn结12p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：-xp+xn+eNd-eNa-xp+xn0E因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：空间电荷区整体保持电中性空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸ρ(C/cm3)pn第七章pn结13根据电场强度和

7、电势的关系，将p区内电场积分可得电势：确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处电势为0，则可确定C'1和p区内的电势值为：同样的，对n区内的电场表达式积分，可求出：第七章pn结14-xpxn0Epn=0=Vbi电子电势能（-e）和距离是二次函数关系，即抛物线关系显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出：当x=0时，n、p区电势值连续，因而利用p区电势可求出：第七章pn结15（3）空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体电中性条件要求，已知：例7.2空间电荷区宽度与掺杂浓度有关将上式代入则可得到：空间电荷区

8、宽度为：第七章pn结16热平衡，pn结处存在空间电荷区和接触电势差。内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区，内建电场在p、n交界处最强。热平衡，p区、n区及空间电荷区内具有统一费米能级。空间电荷区内漂移电流和扩散电流平衡，无宏观电流。p、n两侧空间电荷总数相等，对外保持整体的电中性。空间电荷区内几乎无自由载流子、因而又称耗