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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

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