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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS第六章p-n结 1p-n结及其能带图2p-n结的电流电压特性3p-n结电容 4 p-n结击穿 5 p-n结隧道效应 6.1 p-n结及其其能带图(1)p-n结的形成(2)p-n结的基本概念6.1 pn 结及其能带图 6.1.1 pn 结的形成和杂质分析在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。P N p-n结的形成 p-n结的形成 控制同一块半导体的掺杂,形成pn结(合金法;扩散法;离子注入法等)在p
2、(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结-同质结 由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结 工艺简介:合金法合金烧结方法形成pn结 扩散法高温下热扩散,进行掺杂 离子注入法将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结 杂质分布的简化:突变结 线性缓变结图6-2图6-3合金法图6-4扩散法离子注入法 p-n结的基本概念空间电荷区:在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.扩散的结果:在结面附近
3、,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主).空间电荷区中存在电场-内建电场,内建电场的方向:np.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.PN结的形成 在 半 导 体 基 片 上 分 别 制 造 N型 和 P型 两 种 半 导 体。经 过 载 流 子 的 扩散 运 动 和 漂 移 运 动,两 运 动 最 终 达 到 平 衡，由 离 子 薄 层 形 成 的 空 间 电 荷区称为PN结。1PN结的形成 扩散运动P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。漂移运动在扩散运动
4、同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。动态平衡下的PN 结漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。+空间电荷区N型区 P型区电位VV0 空间电荷区在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。（见下一页的示意图）内部电场由空间电荷区（即PN结
5、的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。耗尽层在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。平衡p-n结及其能带图:当无外加电压,载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消,电荷没有净流动),p-n结有统一的EF(平衡pn结)结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).热平衡条件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)热平衡条件内建电势内建电势PN结的内建电势决定于掺杂浓度N
6、D、NA、材料禁带宽度以及工作温度接触电势差:pn结的势垒高度eVD 接触电势差VD 对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:VD与二边掺杂有关,与Eg有关图6-8电势电子势能(能带)平衡p-n结的载流子浓度分布:当电势零点取x=-xp处,则有:势垒区的载流子浓度为:即有:图6-9 平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系 处处都有np=ni2 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)Step Junction 6.2 p-n结的电流电压特性(1)dEF/dx与电流密度的关系(2)正向偏压下的p-n结(3)反向偏压下的p-n结(4)理想p-n结(5)伏安
7、特性 dEF/dx与电流密度的关系EF随位置的变化与电流密度的关系 热平衡时,EF处处相等,p-n结无电流通过(动态平衡).当p-n结有电流通过,EF就不再处处相等.且,电流越大,EF随位置的变化越快.总之:是否有电荷流动,并不仅仅取决于是否存在电场当电流密度一定时,dEF/dx与载流子浓度成反比上述讨论也适用于电子子系及空穴子系(用准费米能级取代费米能级):正向偏压下的p-n结势垒:外电压主要降落于势垒区 加正向偏压V,势垒高度下降为 e(VD-V),势垒区宽度减少.图6-10非平衡子的电注入:正向偏压下,势垒区内电场减少载流的扩散流漂移流非平衡子电注入形成少子扩散区.(外加正向偏压增大,非
8、平衡子电注入增加)边界处的 载流子浓度为:稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的.正向偏压下非平衡少子的分布电流:在体内,电流是多子漂流电流 在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流;少子电流是扩散电流 讨论空穴电流的变化:在电子扩散区,空穴(多子)边漂移边与电子复合;势垒区很薄,势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴扩散区,空穴(少子)边扩散边与电子复合.类似地,可讨论电子电流的变化:稳态下,通过任一截面的总电流是相等的J=J+J-=J+(xn)+J-(-xp)绿色:漂移电流.紫色:扩散电流.准费米能级:EF-,EF+在势垒区,扩散区,电子和空穴有不同的准费米能级:在扩散区,可认为多子的准费米能级保持不
9、变 在势垒区,近似认为准费米能级保持不变 在扩散区,少子的准费米能级与位置有关,且有:图6-13 反向偏压下的p-n结势垒高度:e(VD+|V|)非平衡子的电抽取:(也形成少子扩散区)电流:仍有 J=J+J-=J+(xn)+J-(-xp)正向偏压时，在少子扩散区,少子复合率产生率(非平衡载流子注入);反向时,产生率复合率(少数载流子被抽取)反向时,少子浓度梯度很小反向电流很小准费米能级:在势垒区图6-14 理想p-n结 理想p-n结:小注入条件 突变结,耗尽层近似可认为外加电压全降落于耗尽层+在扩散区,少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生,复合 通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持
10、不变 玻耳兹曼边界条件 伏安特性 定性图象 正向偏压下,势垒降低,非平衡少子注入,正向电流随正向电压的增加很快增加.反向偏压下,势垒升高,非平衡少子被抽取,反向电流很小,并可达到饱和.理想二极管方程 PN 结正偏时理想二极管方程 PN 结反偏时定量方程 基本假设 P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。准中性区的载流子运动情况 稳态时,假设GL=0 边界条件:图6.4 欧姆接触
11、边界 耗尽层边界边界条件 欧姆接触边界 耗尽层边界(pn 结定律)耗尽层边界 P型一侧P N耗尽层边界(续)N 型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关准中性区载流子浓度理想二极管方程 求解过程 准中性区少子扩散方程 求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xp xn0 xX空穴电流 一般解电子电流 P型侧PN结电流 少子在扩散区中的分布:空穴扩散区电子扩散区少子扩散电流:边界处的少子扩散电流为JV特性:pnjunctiondiode对JV特性的说明:单向导电性:反向饱和电流Js 温度的影响:T,Js很快增加 单边突变结:
12、Js的表达式中只有一项起主要作用只需考虑一边的少子扩散 正向导通电压:Eg越大的材料,具有更大的正向导通电压.伏安特性UI死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR与理想情况的偏差 大注入效应 空间电荷区的复合 p-n结击穿 现象:对p-n结施加反向偏压时,当反向偏压增大到某一数值时,反向电流密度突然开始迅速增大.发生击穿时的反向偏压-p-n结的击穿电压.p-n结击穿的基本原因:载流子数目的突然增加.击穿机理:雪崩击穿强电场下的碰撞电离,使载流子倍增 隧道击穿大反向偏压下,隧道贯穿使反向电流急剧增加 热电击穿不断上升的结温,使反向
13、饱和电流持续地迅速增大 3 p-n结电容(1)电容效应(2)突变结的空间电荷区(3)突变结势垒电容(4)扩散电容 PN 结电容 电容效应 p-n结有存储和释放电荷的能力。势垒电容 CT 当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应.当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少 当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加图6-19(c)扩散电容 CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容 可忽略 p-n结的
14、势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化-CT 和CD都是微分电容:C=dQ/dV扩散电容 CD 突变结的空间电荷区耗尽层近似下的空间电荷:突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷 势垒宽度:d=Xp+Xn 势垒区中正负电荷总量相等：|Q|=eNAXp=eNDXn势垒区能带空间电荷分布矩形近似 电场:泊松方程：E=-(dV/dx)+C在x=0处,内建电场数值达到极大 电势:抛物线分布空间电荷电场电势能带 空间电荷区宽度:平衡p-n结 当加外电压V 单边突变结:势垒区主要在轻掺杂一边 对p+-n结,NB代表ND 对p-n+结,NB代表NAP+-n结 突变结的势垒电容 反向
15、偏压下的突变结势垒电容(单位面积):几点说明:p-n结的势垒电容可以等效为一个平行板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离 这里求得的势垒电容,主要适用于反向偏置情况单边突变结的势垒电容:扩散电容 扩散电容CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.少子在扩散区中的分布:在空穴扩散区在电子扩散区 PN结的单位面积微分扩散电容为:扩散电容在正向偏压和低频下起重要的作用.4 p-n结的隧道效应(1)p-n结势垒区的隧道贯穿(2)隧道结的I-V特性 隧道效应 隧道效应能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒.这是一种量子力学效应 隧穿几率与势垒的高度有关,与势垒的厚
16、度有关.隧道二极管利用量子隧穿现象的器件效应 p-n结势垒区的隧道贯穿 隧道结p-n结,两边都是重掺杂(简并情况),以至在p区,EF进入价带;在n区,EF进入导带.结果:n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上发生交叠 势垒十分薄 电子可以隧道贯穿势垒区.图6-29 隧道结的I-V特性 正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升,达到一个极大,(峰值电流Ip,峰值电压Vp)随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv)在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升图6-270点平衡pn结1点正向电流迅速上升2点电流达到峰值 3点隧道电
17、流减少,出现负阻4点-隧道电流等于05点反向电流随反向电压的增加而迅速增加 5 p-n结的光生伏特效应(1)p-n结的光生伏特效应(2)光电池的伏安特性 p-n结的光生伏特效应 适当波长的光,照射到非均匀半导体上,由于内建场的作用,半导体内部可以产生电动势(光生电压)-光生伏特效应是内建场引起的光电效应.光生载流子在势垒区内的内建场的作用下,各自向相反方向运动,使p-n结两端产生光生电动势(p端电势升高,n端电势降低).伏安特性 光电池工作时,电流可分成三股:光照产生的载流子越过势垒形成光生电流 IL 光生电压作用下的pn结正向电流 IF 流经外电路的负载电流 I 光生电压 V 伏安特性:开路
18、电压Voc:I=0,短路电流ISC:V=0,IF=0,I=ISC=IL 输出功率:P=IV附：Pn结作为光电器件的其他一些应用光电二极管（光伏型光电探测器）发光二极管（pn结注入发光）激光二极管（pn结正向注入）光电二极管（光伏型光电探测器）与光电池一样，都是利用了p-n结的光生伏特效应.通常,工作时加反向偏压-将光信号转变成电信号.发光二极管（pn结电致发光）pn结加正向偏压，使系统处于非平衡态-注入非平衡载流子，这些非平衡载流子因复合而产生光辐射.发 光 二 极 管(LED)是 一 种p-n 结，它 能 在 紫 外 光、可 见 光 或 红 外 光 区 域辐 射 自 发 辐 射 光。可 见
19、光LED 被 大 量 用 于 各 种 电 子 仪 器 设 备 与 使 用 者 之 间的信息传送。而红外光IED 则应用于光隔离及光纤通讯方面。由 于 人 眼 只 对 光 子能 量 h 等 于 或 大 于1.8eV(0.7m)的 光 线 感光，因 此 所 选 择 的 半 导 体，其 禁 带 宽 度 必 须 大 于 此 极限 值。右 图 标 示 了 几 种 半导体的禁带宽度值。可见光发光二极管：发光二极管图10-29下表列出了用来在可见光与红外光谱区产生光源的半导体。在 所 列 出 的 半 导体 材 料 中，对 于 可 见光LED 而 言，最 重 要的 是 GaAs1-yPy与GaxIn1-xN
20、合 金 的-V族化合物系统。发光二极管材料 波长nmInAsSbPInAs 4200InAs 3800GaInAsP/GaSb 2000GaSb 1800GaxIn1-xAs1-yPy11001600Ga0.47In0.53As 1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs:Er,InP:Er 1540Si:C 1300GaAs:Yb,InP:Yb 1000AlxGa1-xAs:Si 650940GaAs:Si 940Al0.11Ga0.89As:Si 830Al0.4Ga0.6As:Si 650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15
21、P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P 655GaP 690GaP:N 550570GaxIn1-xN 340,430,590SiC 400460BN 260,310,490图(b)则 是 以 磷 化 镓 为衬 底 制 造 的 发 橙、黄或 绿 光 的 间 接 禁 带 幂LED,用 外 延 方 法 生 长的 缓 变 型GaAs1-yPy合金 层 用 来 使 界 面 间 因晶 格 不 匹 配 所 导 致 的非 辐 射 性 中 心 减 至 最小。下 图 是 平 面 二 极 管 架 构 的 可 见 光LED 的 基 本 结 构 图。其 中 图(a)的截面图是以砷化镓为衬底制造的发红光
22、的直接禁带LED。发光二极管 目 前 最 有 希 望的 材 料 是 氮 化 镓(Eg=3.44eV)和 相 关的-V 族 氮 化 物 半导 体，如AlGaInN，其 直 接 禁 带 范 围由 1.95eV 至 6.2eV。至 于 高 亮 度 的 蓝 光LED(0.455ym-0.492Pm)方 面，已 经 被 研 究 的材 料 有：-族 化 合 物 的 硒 化 锌(ZnSe)，-族 氮 化 物 半 导 体 的 氮化 镓(GaN)、-IV 族 化 合 物 的 碳 化 硅(SiC)然 而，-的 寿 命 太 短，以 致 至 今 尚 不 能 商 品 化；碳 化 硅 也 因 其 为 间 接 禁 带，致
23、使 其 发 出 的蓝光亮度太低，也不具吸引力。发光二极管Ni/Aup型电极GaN-pN Ga Al-p-1 x x)N(In Ga-1未掺杂x xGaN-nAlN-n蓝宝石衬底Ni/Aup型电极 光传输电极Ti/Aln型电极Ni/Aup型电极GaN-pN Ga Al-p-1 x x)N(In Ga-1未掺杂x xGaN-nAlN-n蓝宝石衬底Ni/Aup型电极 光传输电极Ti/Aln型电极 虽 然 没 有 晶 格 相 匹 配 的 衬 底 可 供GaN 生 长，但 是 低 温 生 长 的AlN 做 缓 冲 层，即 可 在 蓝 宝 石(Al2O3)上 生 长 高 品 质 的GaN。右 图 即为生长
24、在蓝宝石衬底上的-族氮化物LED。因 为 蓝 宝 石 衬 底是 绝 缘 体，所 以p型 与n型 的 欧 姆 接 触 都 必 须形 成 在 上 表 面。蓝 光产 生 于 GaxIn1-xN 区 域的 辐 射 性 复 合 作 用，而 GaxIn1-xN 如 三 明 治般 被 夹 于 两 个 较 大 禁带 宽 度 的 半 导 体 之 间：一 个 是p型 的AlxGa1-xN层，一 个 是n型 的GaN层。发光二极管Ni/Aup型电极GaN-pN Ga Al-p-1 x x)N(In Ga-1未掺杂x xGaN-nAlN-n蓝宝石衬底Ni/Aup型电极 光传输电极Ti/Aln型电极Ni/Aup型电极GaN-pN Ga Al-p-1 x x)N(In Ga-1未掺杂x xGaN-nAlN-n蓝宝石衬底Ni/Aup型电极 光传输电极Ti/Aln型电极 激光二极管（pn结正向注入）两边都为重掺杂的pn结.在正向偏压下,在结面附近,可实现(Efn-Efp)Eg,使这区域成为分布反转区-利用pn结正向注入实现粒子数的分布反转.VDEgeVEg分布反转区图10-34