n結(jié)半導(dǎo)體物理第七ppt課件

1、 第七章第七章 PN PN 結(jié)結(jié)本章學(xué)習(xí)要點：本章學(xué)習(xí)要點：1. 1. 了解了解PNPN結(jié)的構(gòu)造及空間電荷區(qū)的概念；結(jié)的構(gòu)造及空間電荷區(qū)的概念；2. 2. 掌握零偏形狀下掌握零偏形狀下PNPN結(jié)的特性，包括內(nèi)建電勢、內(nèi)結(jié)的特性，包括內(nèi)建電勢、內(nèi) 建電場以及空間電荷區(qū)寬度等；建電場以及空間電荷區(qū)寬度等；3. 3. 掌握反偏形狀下掌握反偏形狀下PNPN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度、內(nèi)建電結(jié)的空間電荷區(qū)寬度、內(nèi)建電 場以及場以及PNPN結(jié)電容特性；結(jié)電容特性；4. 4. 了解非均勻摻雜了解非均勻摻雜PNPN結(jié)的特性；結(jié)的特性； 7.1 PN7.1 PN結(jié)的根本構(gòu)造結(jié)的根本構(gòu)造1. PN1. PN結(jié)的根本構(gòu)造結(jié)

2、的根本構(gòu)造PNPN結(jié)是由一個結(jié)是由一個N N型摻雜區(qū)和一個型摻雜區(qū)和一個P P型摻雜區(qū)嚴(yán)密型摻雜區(qū)嚴(yán)密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。2. 2. 制造制造PNPN結(jié)的方法：結(jié)的方法：1 1外延方法：突變外延方法：突變PNPN結(jié)；結(jié)；2 2分散方法：緩變分散方法：緩變PNPN結(jié)；結(jié)；3 3離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間；離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間； 為簡單起見，首先討論突變結(jié)。為簡單起見，首先討論突變結(jié)。理想突變結(jié)：理想突變結(jié)： P P型區(qū)和型區(qū)和N N型區(qū)分別均勻摻雜型區(qū)分別均勻摻雜 P P型區(qū)摻雜濃度為型區(qū)摻雜濃度為NaNa N

3、 N型區(qū)摻雜濃度為型區(qū)摻雜濃度為Nd Nd 冶金結(jié)是面積足夠大的平面冶金結(jié)是面積足夠大的平面理想突變結(jié)雜質(zhì)濃度曲線3. PN3. PN結(jié)空間電荷區(qū)的構(gòu)成結(jié)空間電荷區(qū)的構(gòu)成 兩種資料接觸構(gòu)成兩種資料接觸構(gòu)成PNPN結(jié)時，冶金結(jié)兩側(cè)將出現(xiàn)載結(jié)時，冶金結(jié)兩側(cè)將出現(xiàn)載流子密度差，構(gòu)成可動載流子的分散流：流子密度差，構(gòu)成可動載流子的分散流： * * 電子分開電子分開N N型區(qū)向型區(qū)向P P型區(qū)分散，在型區(qū)分散，在N N型區(qū)留下帶型區(qū)留下帶正電荷的施主離子。正電荷的施主離子。 * * 空穴分開空穴分開P P型區(qū)向型區(qū)向N N型區(qū)分散，在型區(qū)分散，在P P型區(qū)留下帶型區(qū)留下帶負(fù)電荷的受主離子。負(fù)電荷的受主離

4、子。 離化的雜質(zhì)中心固定不動，出現(xiàn)凈正、負(fù)電荷，離化的雜質(zhì)中心固定不動，出現(xiàn)凈正、負(fù)電荷，該區(qū)域即為空間電荷區(qū)。該區(qū)域即為空間電荷區(qū)。 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū): : 半導(dǎo)體帶電的區(qū)域。半導(dǎo)體帶電的區(qū)域?？臻g電荷區(qū)也稱為空間電荷區(qū)也稱為 勢壘區(qū)；勢壘區(qū)； 過渡區(qū)；過渡區(qū)； 耗盡區(qū)；耗盡區(qū)；空間電荷區(qū)將構(gòu)成內(nèi)建電場?？臻g電荷區(qū)將構(gòu)成內(nèi)建電場。 內(nèi)建電場引起載流子的漂移運動，漂移運動內(nèi)建電場引起載流子的漂移運動，漂移運動與分散運動的方向相反，最后到達(dá)平衡形狀。與分散運動的方向相反，最后到達(dá)平衡形狀?？臻g電荷區(qū)及內(nèi)建電場的構(gòu)成過程表示圖空間電荷區(qū)及內(nèi)建電場的構(gòu)成過程表示圖到達(dá)熱平衡形狀時，分散流等于漂移

5、流到達(dá)熱平衡形狀時，分散流等于漂移流平衡平衡PN結(jié)的特點：結(jié)的特點： 勢壘區(qū)內(nèi)電子空穴的分散和漂移抵消。勢壘區(qū)內(nèi)電子空穴的分散和漂移抵消。 整個整個pn結(jié)具有一致的費米能級。結(jié)具有一致的費米能級。 能帶彎曲勢壘高度。能帶彎曲勢壘高度。到達(dá)平衡形狀的到達(dá)平衡形狀的PNPN結(jié)能帶圖具有一致的費米能級結(jié)能帶圖具有一致的費米能級 7.2 7.2 零偏形狀下的零偏形狀下的PNPN結(jié)結(jié)零偏形狀零偏形狀:V:V外外=0=01. 1. 內(nèi)建電勢差內(nèi)建電勢差 由由PNPN結(jié)空間電荷區(qū)的構(gòu)成過程可知，在到達(dá)平衡結(jié)空間電荷區(qū)的構(gòu)成過程可知，在到達(dá)平衡形狀時，形狀時，PNPN結(jié)空間電荷區(qū)中構(gòu)成了一個內(nèi)建電場，該結(jié)空間

6、電荷區(qū)中構(gòu)成了一個內(nèi)建電場，該電場在空間電荷區(qū)中的積分就構(gòu)成了一個內(nèi)建電勢差。電場在空間電荷區(qū)中的積分就構(gòu)成了一個內(nèi)建電勢差。 從能量的角度來看，在從能量的角度來看，在N N型區(qū)和型區(qū)和P P型區(qū)之間建立了型區(qū)之間建立了一個內(nèi)建勢壘，阻止電子進(jìn)一步向一個內(nèi)建勢壘，阻止電子進(jìn)一步向P P型區(qū)分散，該內(nèi)型區(qū)分散，該內(nèi)建勢壘的高度即為內(nèi)建電勢差，用建勢壘的高度即為內(nèi)建電勢差，用Vbi Vbi 表示。表示。內(nèi)建勢壘的高度：內(nèi)建勢壘的高度：影響勢壘高度的要素：影響勢壘高度的要素： 摻雜濃度；摻雜濃度； 溫度；溫度；2 2、電場強(qiáng)度、電場強(qiáng)度耗盡區(qū)電場的產(chǎn)生是由于正負(fù)電荷的相互分別。耗盡區(qū)電場的產(chǎn)生是由于

7、正負(fù)電荷的相互分別。右圖所示為突變結(jié)的體電荷密度分布。右圖所示為突變結(jié)的體電荷密度分布。結(jié)論：結(jié)論： 1E0 ； 2電場強(qiáng)度為直線分布電場強(qiáng)度為直線分布 3電場強(qiáng)度最大值在電場強(qiáng)度最大值在x=0處；處；結(jié)論：結(jié)論： 1E0 ； 2電場強(qiáng)度為直線分布電場強(qiáng)度為直線分布 3電場強(qiáng)度最大值在電場強(qiáng)度最大值在x=0處；處；最大電場強(qiáng)度最大電場強(qiáng)度由由PN結(jié)界面處電場延續(xù)可得：結(jié)界面處電場延續(xù)可得：結(jié)論：結(jié)論：在在PN結(jié)界面兩側(cè)，結(jié)界面兩側(cè)，N型區(qū)中單位面積的正電荷與型區(qū)中單位面積的正電荷與P型型區(qū)中點位面積的負(fù)電荷相等。區(qū)中點位面積的負(fù)電荷相等。在在PN結(jié)界面處電場到達(dá)最大，最大電場為：結(jié)界面處電場到

8、達(dá)最大，最大電場為：內(nèi)建電勢：內(nèi)建電勢：將內(nèi)建電場對空間電荷區(qū)進(jìn)展積分，即可求得空間電將內(nèi)建電場對空間電荷區(qū)進(jìn)展積分，即可求得空間電荷區(qū)中的電勢分布。在荷區(qū)中的電勢分布。在P型區(qū)一側(cè)有：型區(qū)一側(cè)有：設(shè)置電勢零點為：設(shè)置電勢零點為：由此可得：由此可得：P型區(qū)中一側(cè)空間電荷區(qū)中的電勢分布為：型區(qū)中一側(cè)空間電荷區(qū)中的電勢分布為：PN結(jié)空間電荷中電勢分布：結(jié)空間電荷中電勢分布：電子的電勢能可表示為：電子的電勢能可表示為：可見，電子的電勢能與電勢的可見，電子的電勢能與電勢的 變化類似。變化類似。w3 空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度將將帶入帶入PN結(jié)內(nèi)建勢壘公式：結(jié)內(nèi)建勢壘公式：影響空間電荷區(qū)寬度的要素

9、：影響空間電荷區(qū)寬度的要素： 摻雜濃度：主要取決于低摻雜區(qū)的濃度；摻雜濃度：主要取決于低摻雜區(qū)的濃度； 溫度；溫度； 7.3 7.3 反偏形狀下的反偏形狀下的PNPN結(jié)結(jié) 當(dāng)在當(dāng)在PNPN結(jié)的兩邊外加一個電壓時，此時整個結(jié)的兩邊外加一個電壓時，此時整個PNPN結(jié)結(jié)就不再處于熱平衡形狀，因此整個就不再處于熱平衡形狀，因此整個PNPN結(jié)系統(tǒng)中也就不結(jié)系統(tǒng)中也就不再具有一致的費米能級。再具有一致的費米能級。 反向偏置反向偏置: PN: PN結(jié)的結(jié)的N N型區(qū)相對于型區(qū)相對于P P型區(qū)外加一個正型區(qū)外加一個正電壓電壓VRVR。外加反偏電壓外加反偏電壓VR時的時的PN結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖外加電場存在將會

10、使得能帶圖中外加電場存在將會使得能帶圖中N N型區(qū)的費米能級往下拉，型區(qū)的費米能級往下拉，下拉的幅度等于外加電壓引起的電子勢能變化量。下拉的幅度等于外加電壓引起的電子勢能變化量。 此時，此時，PNPN結(jié)上總的勢壘高度增大為：結(jié)上總的勢壘高度增大為：1. 1. 空間電荷區(qū)寬度與空間電荷區(qū)寬度與PNPN結(jié)中的電場結(jié)中的電場當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)兩側(cè)外加反向偏壓結(jié)兩側(cè)外加反向偏壓VRVR時，時，PNPN結(jié)內(nèi)部空間電荷區(qū)結(jié)內(nèi)部空間電荷區(qū)中的電場加強(qiáng)，因此中的電場加強(qiáng)，因此PNPN結(jié)界面兩側(cè)的空間電荷區(qū)寬度結(jié)界面兩側(cè)的空間電荷區(qū)寬度將會進(jìn)一步展寬。將會進(jìn)一步展寬。利用前面推導(dǎo)出的空間電荷區(qū)寬度公式，只需將公式中

11、利用前面推導(dǎo)出的空間電荷區(qū)寬度公式，只需將公式中的的PNPN結(jié)內(nèi)建勢壘代換為反偏結(jié)內(nèi)建勢壘代換為反偏PNPN結(jié)上總的勢壘高度，即：結(jié)上總的勢壘高度，即：結(jié)論：結(jié)論：PNPN結(jié)中總的空間電荷區(qū)寬度隨著外加反向偏置電壓結(jié)中總的空間電荷區(qū)寬度隨著外加反向偏置電壓VRVR的的增大而不斷增大。增大而不斷增大。同樣，空間電荷區(qū)在同樣，空間電荷區(qū)在PN結(jié)兩側(cè)的擴(kuò)展寬度也可以分結(jié)兩側(cè)的擴(kuò)展寬度也可以分別求得，其中在別求得，其中在N型區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展寬度為：型區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展寬度為： 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)外加的反向偏壓改動時，結(jié)外加的反向偏壓改動時，PNPN結(jié)中耗盡結(jié)中耗盡區(qū)的寬度發(fā)生變化，因此區(qū)的寬度發(fā)生變化，因此PNPN

12、結(jié)兩側(cè)耗盡區(qū)中的電結(jié)兩側(cè)耗盡區(qū)中的電荷也會隨之而發(fā)生改動，這種充放電作用就是荷也會隨之而發(fā)生改動，這種充放電作用就是PNPN結(jié)的電容效應(yīng)。結(jié)的電容效應(yīng)。2. PN2. PN結(jié)的勢壘電容結(jié)的勢壘電容根據(jù)電容的定義，單位面積根據(jù)電容的定義，單位面積PN結(jié)的電容為：結(jié)的電容為：上式為上式為PN結(jié)勢壘電容，也稱為耗盡層電容。結(jié)勢壘電容，也稱為耗盡層電容。將耗盡區(qū)寬度將耗盡區(qū)寬度此式與單位面積的平行板電容公式完全一樣。此式與單位面積的平行板電容公式完全一樣。留意留意:PN:PN結(jié)電容中的耗盡區(qū)寬度隨著反偏電壓的改動而結(jié)電容中的耗盡區(qū)寬度隨著反偏電壓的改動而不斷變化，因此電容也是隨著反向偏置電壓的改動而不

13、斷變化，因此電容也是隨著反向偏置電壓的改動而不斷變化的。不斷變化的。帶入上式得帶入上式得 ：小結(jié)：小結(jié)：PN結(jié)反偏時構(gòu)成的突變結(jié)勢壘電容等效為平結(jié)反偏時構(gòu)成的突變結(jié)勢壘電容等效為平行板電容器的電容。行板電容器的電容。影響勢壘電容大小的要素：影響勢壘電容大小的要素： 摻雜濃度：摻雜濃度添加摻雜濃度：摻雜濃度添加 ，勢壘電容添加；，勢壘電容添加； 單邊突變結(jié)，決議于低摻雜區(qū)濃度。單邊突變結(jié)，決議于低摻雜區(qū)濃度。 偏置電壓：偏置電壓： 反偏電壓變大，勢壘電容減小。反偏電壓變大，勢壘電容減小。3. 3. 單邊突變單邊突變PNPN結(jié)結(jié)假設(shè)假設(shè)PNPN結(jié)兩側(cè)的摻雜濃結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度相差很大，通常稱之度相差

14、很大，通常稱之為單邊突變?yōu)閱芜呁蛔働NPN結(jié)。結(jié)。假設(shè)假設(shè)P P型區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)型區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于N N型區(qū)的摻雜濃度，型區(qū)的摻雜濃度，即即NaNdNaNd，稱之為，稱之為P PN N?？梢?，可見，PNPN結(jié)電容倒數(shù)的平方與反偏電壓結(jié)電容倒數(shù)的平方與反偏電壓VRVR成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。結(jié)論：結(jié)論：利用此線性關(guān)系，可外推求出利用此線性關(guān)系，可外推求出PN結(jié)的內(nèi)建電勢差。結(jié)的內(nèi)建電勢差?？梢越?jīng)過直線的斜率求出可以經(jīng)過直線的斜率求出PN結(jié)低摻雜一側(cè)的摻雜濃結(jié)低摻雜一側(cè)的摻雜濃度。度。 7.4 7.4 非均勻摻雜的非均勻摻雜的PNPN結(jié)結(jié) 至此，所討論的至此，所討論的PNPN結(jié)兩側(cè)都是均

15、勻摻雜的半導(dǎo)體結(jié)兩側(cè)都是均勻摻雜的半導(dǎo)體資料，但是實踐的情況并非完全如此，另外在某些特資料，但是實踐的情況并非完全如此，另外在某些特殊的運用場所，也需求一些特別設(shè)計的非均勻摻雜殊的運用場所，也需求一些特別設(shè)計的非均勻摻雜PNPN結(jié)。結(jié)。1. 1. 線性緩變線性緩變PNPN結(jié)結(jié) 經(jīng)過分散方法制造的經(jīng)過分散方法制造的PNPN結(jié)，雜質(zhì)濃度分布近似為結(jié)，雜質(zhì)濃度分布近似為線性分布，這種線性分布，這種PNPN結(jié)稱為線形緩變結(jié)稱為線形緩變PNPN結(jié)。結(jié)。 N N型摻雜濃度與型摻雜濃度與P P型摻雜濃度相等之處，即為型摻雜濃度相等之處，即為PNPN結(jié)結(jié)界面的位置，也就是冶金結(jié)的位置。界面的位置，也就是冶金結(jié)

16、的位置。P區(qū)為非均勻摻雜的區(qū)為非均勻摻雜的PN結(jié)的雜質(zhì)濃度分布結(jié)的雜質(zhì)濃度分布:理想線形緩變結(jié)：理想線形緩變結(jié)： 雜質(zhì)分布：雜質(zhì)分布：N Nx) = Nd-Na = axx) = Nd-Na = ax結(jié)論：結(jié)論：在線性緩變在線性緩變PNPN結(jié)的空間電荷區(qū)中，電場強(qiáng)度是間隔的結(jié)的空間電荷區(qū)中，電場強(qiáng)度是間隔的二次函數(shù)關(guān)系，而不再是均勻摻雜二次函數(shù)關(guān)系，而不再是均勻摻雜PNPN結(jié)空間電荷區(qū)中結(jié)空間電荷區(qū)中電場強(qiáng)度隨空間位置的線性變化關(guān)系。電場強(qiáng)度隨空間位置的線性變化關(guān)系。最大電場強(qiáng)度依然位于冶金結(jié)界面處，空間電荷區(qū)之最大電場強(qiáng)度依然位于冶金結(jié)界面處，空間電荷區(qū)之外電場強(qiáng)度也依然為零。外電場強(qiáng)度也依

17、然為零。電場強(qiáng)度與間隔的關(guān)系電場強(qiáng)度與間隔的關(guān)系2. 2. 超峻峭的超峻峭的PNPN結(jié)結(jié) 對于單邊突變對于單邊突變P PN N結(jié)，思索更普通的情況，即當(dāng)結(jié)，思索更普通的情況，即當(dāng)x0 x0時，時，N N型區(qū)的摻雜濃度可表示為：型區(qū)的摻雜濃度可表示為： N = BxmN = Bxm當(dāng)當(dāng)m=0m=0時，即為均勻摻雜的情形；時，即為均勻摻雜的情形；當(dāng)當(dāng)m=1m=1時，即為線性緩變時，即為線性緩變PNPN結(jié)的情形；結(jié)的情形；當(dāng)當(dāng)m m為負(fù)值時，即為所謂的超峻峭摻雜的為負(fù)值時，即為所謂的超峻峭摻雜的PNPN結(jié)。結(jié)。采用類似的分析方法，可以求得超峻峭摻雜采用類似的分析方法，可以求得超峻峭摻雜PNPN結(jié)單位

18、結(jié)單位面積的耗盡區(qū)電容為：面積的耗盡區(qū)電容為： PN PN結(jié)小結(jié)結(jié)小結(jié)1 1、PNPN結(jié)結(jié)P P型區(qū)和型區(qū)和N N型區(qū)為同一塊半導(dǎo)體單晶資料；型區(qū)為同一塊半導(dǎo)體單晶資料；2 2、空間電荷區(qū)：、空間電荷區(qū)： PNPN結(jié)中帶電的區(qū)域，空間電荷區(qū)中結(jié)中帶電的區(qū)域，空間電荷區(qū)中大多數(shù)載流子曾經(jīng)耗盡，因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡大多數(shù)載流子曾經(jīng)耗盡，因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)。耗盡區(qū)之外，中性區(qū)。區(qū)。耗盡區(qū)之外，中性區(qū)。3 3、內(nèi)建電場：內(nèi)建電場位于空間電荷區(qū)，最大值在、內(nèi)建電場：內(nèi)建電場位于空間電荷區(qū)，最大值在x=0 x=0處，耗盡區(qū)之外，內(nèi)建電場為零。處，耗盡區(qū)之外，內(nèi)建電場為零。內(nèi)建電場同時也會引起內(nèi)建電勢差，使得能帶發(fā)生彎內(nèi)建電場同時也會引起內(nèi)建電