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1、半导体物理基础第1页，此课件共19页哦在前面几结中我们了解了本征半导体和杂质半导体，根据对导电性的影响，杂质半导体又分为n型半导体和p型半导体。如果把一块n型半导体和p型半导体结合在一起，在两者的交界面就形成了所谓的pn结，在这一结我们就是要了解pn结的一些性质。第2页，此课件共19页哦1、pn结的形成和杂质分布结的形成和杂质分布在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。P型N型结第3页，此课件共19页哦合金法制备合金法制备pn结结
2、下图表示用合金法制造pn结的过程，把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n型硅衬底的交界面处即为pn结。第4页，此课件共19页哦合金结的杂质分布如下图所示，其特点是n型区中的施主杂质浓度为ND,而且是均匀分布，p型区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布。在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型），具有这种杂质分布的pn结称为突变结。N(x)NDNAxjx设pn结的位置在x=xj处，则突变结的杂质分布可以表示为：xxj,N(x)=ND实际的突变结，两边的杂质浓度相差很多，通常称这种
3、结为单边突变结（这里是p+n结）。第5页，此课件共19页哦扩散法制造扩散法制造pn结结下图是用扩散法制造pn结（也称扩散结）的过程。它是在n型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的pn结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。n-SiSiO2氧化n-Si光刻n-Sip型杂质杂质扩散n-SiPn结形成p型第6页，此课件共19页哦在扩散结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结，如下图所示。设pn结的位置在x=xj处，则结中的杂质分布可以表示为：xNDxxj,ND NA在扩散结中，若杂质分布可以用x=xj处的切线近似表示，则称为线性缓变结，其杂质浓度 分 布 可 表 示 为：ND-
4、NA=aj(x-xj),式中aj是x=xj处切线的斜率，称为杂质浓度梯度。对于高表面浓度的浅扩散结，xj处的斜率aj很大，这时扩散结可用突变结来近似。第7页，此课件共19页哦2、空间电荷区、空间电荷区考虑两块半导体，一块是 n型，一块是p型。在n型半导体中电子很多而空穴很少，在p型半导体中空穴很多而电子很少。左图是n型和p型半导体的能带图。第8页，此课件共19页哦当这两块半导体结合形成pn结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。第9页，此课件共19页哦对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，
5、因此，在p-n结附近p区一侧出现了一个负电区域。同理，在p-n结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。它们所存在的区域称为空间电荷区。空间电荷区第10页，此课件共19页哦空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。第11页，此课件共19页哦平衡p-n结的情况，可以用能带图表示。当两块半导体结合形成p-n结时，按照费米能级的意义，电
6、子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区，因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn=EFp时为止。这时p-n结中有统一的费米能级EF，p-n结处于平衡状态。第12页，此课件共19页哦由平衡时的p-n结能带图可看出，在p-n结的空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势变化的结果。因能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达p区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从p区到达n区，这一势能“高坡”通常称为p-n结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。第13页，此课件共19页哦平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差 VD
7、，称为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为p-n结的势垒高度。由能带图可知，势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使平衡p-n结的费米能级处处相等，因此 qVD=EFn-EFpVD=kTqlnNDNAni2上式表明，VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。第14页，此课件共19页哦3、p-n结电流电压特性结电流电压特性平衡p-n结中，存在着具有一定宽度和势垒高度的势垒区，其中相应地出现了内建电场；每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流通过p-n结；相应地在p-n结中费米能级处处相等。当p-n结两端有外加电压时，p-n结
8、处于非平衡状态，以下就p-n结的电流电压特性作一定性说明。第15页，此课件共19页哦p-n结加正向偏压（即结加正向偏压（即p区接电源正极，区接电源正极，n区接负极）区接负极）因为势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的n区和p区中的载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本上降落在势垒区。正向偏压在势垒区产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少。故势垒区的宽度也减小，同时势垒高度从qVD下降为q(VD-V)，如图所示。第16页，此课件共19页哦p-n结加反向偏压（即结加反向偏压（即n区接电源正极，区接电源正极，p区接负极）区接负极）当p-n
9、结加上反向偏压V时，反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区也变宽，势垒高度由qVD增高为q(VD-V)。第17页，此课件共19页哦势垒区的增强，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡，增强了漂移运动，使漂移流大于扩散流。这时n区边界nn处的空穴被势垒区的强电场驱向p区，而p区边界pp处的电子被驱向n区。当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成了反向偏压下的电子和空穴扩散电流，这种情况好象少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子的抽取或吸出。p-n结中总的反向电流等于势垒区边界nn和pp附近的少数载流子扩散电流之和。因为少子浓度很低，而扩散长度基本不变化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向偏压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，p-n结的电流较小并且趋于不变。第18页，此课件共19页哦理想理想p-n结的电流电压方程结的电流电压方程J=Jsexp(qV/kT)-1Js=qDnnp0Ln+qDppn0Lpp-n结具有单向导电性或整流效应。在正向偏压下，正向电流密度随着正向偏压呈指数关系迅速增大。在反向偏压下，J=-Js，即反向电流密度是常量，与外加电压无关。故称Js为反向饱和电流密度。第19页，此课件共19页哦