半导体物理学pn结.pptx
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1、半导体物理半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICSSEMICONDUCTORPHYSICS第六章第六章p-n结结 1p-n结及其能带图结及其能带图2p-n结的电流电压特性结的电流电压特性3p-n结电容结电容 4 4 p-n结击穿结击穿 5 5 p-n结隧道效应结隧道效应 6.1 p-n 6.1 p-n结及其其能带图结及其其能带图(1)p-n结的形成结的形成(2)p-n结的基本概念结的基本概念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,分别制造在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的型半导体,经过
2、载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。PN结结是是构构造造半半导导体体器器件件的的基基本本单单元元。其其中中,最最简简单单的的晶晶体体二二极极管管就就是是由由PN结结构构成的。成的。PN p-np-n结的形成结的形成p-np-n结的形成结的形成 控控制制同同一一块块半半导导体体的的掺掺杂杂,形形成成pnpn结结 (合金法合金法;扩散法扩散法;离子注入法等离子注入法等)在在p(n)p(n)型半导体上外延生长型半导体上外延生长n(p)n(p)型半导体型半导体同质结和异质结同质结和异质结 由由导导电电类类型型相相反反的的同同一一种种半半导导体体单单晶晶材材料组成的料组成
3、的pnpn结结-同质结同质结 由由两两种种不不同同的的半半导导体体单单晶晶材材料料组组成成的的结结异质结异质结工艺简介工艺简介:合金法合金法合金烧结方法形成合金烧结方法形成pn结结 扩散法扩散法高温下热扩散高温下热扩散,进行掺杂进行掺杂 离离子子注注入入法法将将杂杂质质离离子子轰轰击击到到半半导导体体基基片片中中掺掺杂杂分分布布主主要要由由离离子子质质量量和和注注入入离离子子的的能能量量决决定定(典典型型的的离离子子能能量量是是30-300keV,注注入入剂剂量量是是在在1011-1016离离子子数数/cm2范范围围),用用于于形形成成浅浅结结杂质分布的简化杂质分布的简化:突变结突变结 线性缓
4、变结线性缓变结图6-2图6-3合金法合金法图6-4扩散法扩散法离子注入法离子注入法p-np-n结的基本概念结的基本概念空间电荷区空间电荷区:在结面附近在结面附近,由于存在载流子浓度梯由于存在载流子浓度梯度度,导致载流子的扩散导致载流子的扩散.扩散的结果扩散的结果:在结面附近在结面附近,出现静电荷出现静电荷-空间电荷空间电荷(电离施主电离施主,电离受主电离受主).).空间电荷区中存在电场空间电荷区中存在电场-内建电场内建电场,内内建电场的方向建电场的方向:np np.在内建电场作用下在内建电场作用下,载流子要作漂移运动载流子要作漂移运动.PN结的形成结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种
5、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结的形成结的形成 扩散运动扩散运动P型和型和N型半导体结合在一起时,由于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,交界面(接触界)两侧多子和少子的浓度有很大差别,N区区的电子必然向的电子必然向P区运动,区运动,P区的空穴也向区的空穴也向N区运动,这种由于区运动,这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。浓度差而引起的运动称为扩散运动。漂移运动漂移运动在扩散运动同时,在扩散运动同时,PN结构内部形成电荷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
6、的内部区,(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,即形成电场的作用下,少子会定向运动产生漂移,即N区空穴区空穴向向P区漂移,区漂移,P区的电子向区的电子向N区漂移。区漂移。动态平衡下的PN结漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,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。度固定不变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0空间电荷区空间电荷区
7、在在PN结的交界面附近,由于扩散结的交界面附近,由于扩散运动使电子与空穴复合,多子的浓度下降,则在运动使电子与空穴复合,多子的浓度下降,则在P区和区和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。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)(见下一页的示意图)内部电场内部电场由空间电荷区(即由空间电荷区(即PN结的交界面两侧结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷)将形成由的带有相反极性的离子电荷)将形成由N区指向区指向P区的电区的电场场E,这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散,加速
8、少子,这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散,加速少子的漂移。的漂移。耗尽层耗尽层在无外电场或外激发因素时,在无外电场或外激发因素时,PN结处于结处于动态平衡没有电流,内部电场动态平衡没有电流,内部电场E为恒定值,这时空间电荷为恒定值,这时空间电荷区内没有载流子,故称为耗尽层。区内没有载流子,故称为耗尽层。平衡平衡p-np-n结及其能带图结及其能带图:当无外加电压当无外加电压,载流子的流动终将达到载流子的流动终将达到动态平衡动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相漂移运动与扩散运动的效果相抵消抵消,电荷没有净流动电荷没有净流动),),p-np-n结有统一的结有统一的E EF F(平衡平衡pnpn结结)
9、结面附近结面附近,存在内建电场存在内建电场,造成能带弯造成能带弯曲曲,形成形成势垒区势垒区(即空间电荷区即空间电荷区).).热平衡条件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)热平衡条件内建电势内建电势内建电势内建电势PNPN结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度N ND D、N NA A、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度接触电势差接触电势差:pn pn结的势垒高度结的势垒高度eVeVD D 接触电势差接触电势差V VD D 对非简并半导体对非简并半导体,饱和电离近似饱和电离近似,接触接触电势为电势为:V VD D与二边掺杂有关与二边
10、掺杂有关,与与EgEg有关有关图图6-8电势电势电子势能电子势能(能带能带)平衡平衡p-np-n结的载流子浓度分布结的载流子浓度分布:当电势零点取当电势零点取x=-xx=-xp p处处,则有则有:势垒区的载流子浓度为势垒区的载流子浓度为:即有即有:图6-9平衡平衡p-np-n结载流子浓度分布的基本特点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系服从玻尔兹曼关系 处处都有处处都有n np=np=ni i2 2 势垒区是势垒区是高阻区高阻区(常称作常称作耗尽层耗尽层)Step Junction 6.2 p-n 6.2 p-n结的电
11、流电压特性结的电流电压特性(1)dEF/dx与电流密度的关系与电流密度的关系(2)正向偏压下的正向偏压下的p-n结结(3)反向偏压下的反向偏压下的p-n结结(4)理想理想p-n结结(5)伏安特性伏安特性 dEdEF F/dx/dx与电流密度的关系与电流密度的关系E EF F随位置的变化随位置的变化与电流密度的关系与电流密度的关系热平衡时热平衡时,E,EF F处处相等处处相等,p-n,p-n结无电流通过结无电流通过(动态平衡动态平衡).).当当p-np-n结有电流通过结有电流通过,E,EF F就不再处处相等就不再处处相等.且且,电流越大电流越大,E,EF F随位置的变化越快随位置的变化越快.总之
12、总之:是否有电荷流动是否有电荷流动,并不仅仅取决于是否存并不仅仅取决于是否存在电场在电场当电流密度一定时当电流密度一定时,dEF/dx与载流子浓与载流子浓度成反比度成反比上述讨论也适用于电子子系及空穴子系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用准费米能级取代费米能级):正向偏压下的正向偏压下的p-np-n结结势垒势垒:外电压主要降落外电压主要降落于于势垒区势垒区 加正向偏压加正向偏压V,V,势势垒高度下降为垒高度下降为 e(Ve(VD D-V),-V),势垒区宽度减少势垒区宽度减少.图6-10非平衡子的电注入非平衡子的电注入:正向偏压下正向偏压下,势垒区内电场减少势垒区内
13、电场减少载流的载流的扩散流扩散流 漂移流漂移流非平衡子电注入形成少非平衡子电注入形成少子扩散区子扩散区.(.(外加正向偏压增大外加正向偏压增大,非平衡子非平衡子电注入增加电注入增加)边界处的边界处的 载流子浓度为载流子浓度为:稳态时稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的扩散区内少子分布也是稳定的.正向偏压下非平正向偏压下非平衡少子的分布衡少子的分布电流电流:在体内在体内,电流是多子漂流电流电流是多子漂流电流 在少子扩散区在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流多子电流主要是漂流电流;少子少子电流是扩散电流电流是扩散电流 讨论空穴电流的变化讨论空穴电流的变化:在电子扩散区在电子扩散区,空空穴穴(多子多子
14、)边漂移边与电子复合边漂移边与电子复合;势垒区很势垒区很薄薄,势垒区中空穴电流可认为不变势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴在空穴扩散区扩散区,空穴空穴(少子少子)边扩散边与电子复合边扩散边与电子复合.类似地类似地,可讨论电子电流的变化可讨论电子电流的变化:稳态下稳态下,通过任一截面的总电流是相等的通过任一截面的总电流是相等的J=JJ=J+J+J-=J=J+(x(xn n)+J)+J-(-x(-xp p)绿色绿色:漂移电流漂移电流.紫色紫色:扩散电流扩散电流.准费米能级准费米能级:E:EF F-,E,EF F+在势垒区在势垒区,扩散区扩散区,电子和空穴有不同的准费电子和空穴有不同的准费米能级米能
15、级:在扩散区在扩散区,可认为多子的准费米能级保持不可认为多子的准费米能级保持不变变 在势垒区在势垒区,近似认为准费米能级保持不变近似认为准费米能级保持不变 在扩散区在扩散区,少子的准费米能级与位置有关少子的准费米能级与位置有关,且且有有:图6-13 反向偏压下的反向偏压下的p-np-n结结势垒高度势垒高度:e(Ve(VD D+|V V|)非平衡子的电抽取非平衡子的电抽取:(也形成少子扩散区也形成少子扩散区)电流电流:仍有仍有 J=JJ=J+J+J-=J=J+(x(xn n)+J)+J-(-x(-xp p)正向偏压时,在少子扩散区正向偏压时,在少子扩散区,少子复合少子复合率率 产生率产生率(非平
16、衡载流子注入非平衡载流子注入););反向时反向时,产生率产生率 复合率复合率(少数载流子被抽取少数载流子被抽取)反向时反向时,少子浓度梯度很小少子浓度梯度很小反向电流反向电流很小很小准费米能级准费米能级:在势垒区在势垒区图6-14 理想理想p-np-n结结理想理想p-np-n结结:小注入条件小注入条件 突变结突变结,耗尽层近似耗尽层近似可认为外加电可认为外加电压全降落于耗尽层压全降落于耗尽层 +在扩散区在扩散区,少子电流只需考虑扩散少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生忽略耗尽层中的产生,复合复合通过耗尽层时通过耗尽层时,可认为电子电流可认为电子电流和空穴电流均保持不变和空穴电流均保持不变
17、玻耳兹曼边界条件玻耳兹曼边界条件 伏安特性伏安特性定性图象定性图象 正向偏压下正向偏压下,势垒降低势垒降低,非平衡少子注入非平衡少子注入,正向电流随正向电压的增加很快增加正向电流随正向电压的增加很快增加.反向偏压下反向偏压下,势垒升高势垒升高,非平衡少子被抽非平衡少子被抽取取,反向电流很小反向电流很小,并可达到饱和并可达到饱和.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 P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布,是突变结。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。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,载流冶金结为面积足够大的
18、平面,不考虑边缘效应,载流子在子在PNPN结中一维流动。结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电不考虑空间电荷区的产生荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低,外加电压全部降落型区的电阻率都足够低,外加电压全部降落在过渡区上。在过渡区上。准中性区的载流子运动情况准中性区的载流子运动情况稳态时稳态时,假设假设GL=0边界条件边界条件:图图6.4欧姆接触边界欧姆接触边界耗尽层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)耗尽层边界耗尽层边界P型一侧型一侧PN耗尽层边界耗尽层边界(续续)N型一侧耗尽层边
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