半导体器件物理：第2章 PN结

国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验第二章第二章 PNPN结结Chapter 2 P-N Junction 第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验引引 言言1.结：结：任何两种物质（绝缘体除外）的任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触冶金学接触（metallurgical contact,即原子级接触）都称为即原子级接触）都称为结结（junction）,有时也叫做有时也叫做接触接触（contact）。）。2.PN结：结：由由P型半导体和型半导体和N型半导体实现型半导体实现冶金学接触冶金学接触所所形成的结构叫做形成的结构叫做PN结结。PN结是除金属半导体接触结是除金属半导体接触器件外几乎所有半导体器件的基本单元。器件外几乎所有半导体器件的基本单元。同质结：同质结：同种物质构成；同种物质构成；异质结：异质结：不同种物质构成；不同种物质构成；同型结：同型结：同种导电类型的物质构成；同种导电类型的物质构成；异型结：异型结：不同种导电类型的物质构成；不同种导电类型的物质构成；金半结：金半结：金属半导体接触或金属半导体结金属半导体接触或金属半导体结(M-S结结)。同型同质结同型同质结同型异质结同型异质结异型同质结异型同质结异型异质结异型异质结第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验引引 言言3.半导体器件的基本单元：半导体器件的基本单元：1995年，年，K.K.Ng（伍国钰）（伍国钰）在在半导体器件指南半导体器件指南一书中，定义了一书中，定义了67种主要的半导体器种主要的半导体器件及其相关的件及其相关的110多个变种。然而，所有这些器件都只由以多个变种。然而，所有这些器件都只由以下的少数几种器件单元组成。下的少数几种器件单元组成。PN结结MOSMS结结异质结异质结PNMSSiSixGe1-xMOS第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验引引 言言4.平面工艺：平面工艺：70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。离子注入工艺：离子注入工艺：1950年美国人奥尔（年美国人奥尔（R.Ohl）、肖克莱）、肖克莱(Shockley)发明的。发明的。扩散工艺：扩散工艺：1956年美国人富勒（年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的）发明的。外延工艺：外延工艺：1960年卢尔（年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)发明的。发明的。光刻工艺：光刻工艺：1970年斯皮勒（年斯皮勒（E.Spiller）卡斯特兰尼）卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的。发明的。真空镀膜技术、氧化技术、测试和封装工艺等。真空镀膜技术、氧化技术、测试和封装工艺等。硅平面工艺的主体硅平面工艺的主体第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验4-1 氧化工艺：氧化工艺：1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺氧化工艺的出现。的出现。二氧化硅薄膜的作用：二氧化硅薄膜的作用：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为）作为MOS器件的绝缘栅材料；器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。热氧化和化学气相沉积方法。引引 言言第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验4-2 扩散工艺：扩散工艺：常用扩散工艺：常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。固扩散、双温区锑扩散。引引 言言4-3 离子注入技术：离子注入技术：杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（高的能量（1万万-100万万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：离子注入技术的特点：（1）低温；）低温；（2）可精确控制浓度和结深；）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。）设备昂贵。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验4-4 外延工艺：外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。质分布陡峭的外延层。外延技术：外延技术：汽相外延汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（）、液相外延（LPE）、分）、分子束外延（子束外延（MBE）、热壁外延（）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。）、原子层外延技术。引引 言言第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验4-5 光刻工艺：光刻工艺：光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线、表面钝化光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线、表面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。等工艺而使用的一种工艺技术。基本原理：基本原理：是把一种称为是把一种称为光刻胶光刻胶的高分子有机化合物（由光敏的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为除去称之为负性胶负性胶。引引 言言第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验5.采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程结的主要工艺过程 引引 言言第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验引引 言言5.采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程结的主要工艺过程 第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验6.突变结：突变结：引引 言言合金结合金结)(,)()(,)(jddajadaxxNNNxNxxNNNxNAlN-SiAlN-Si液体液体N-SiP把一小粒铝放在一块把一小粒铝放在一块N N型单晶硅片上，型单晶硅片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在然后降低温度，熔融体开始凝固，在N N型硅片上形成含有高浓度铝的型硅片上形成含有高浓度铝的P P型硅薄型硅薄层，它和层，它和N N型硅衬底的交界面即为型硅衬底的交界面即为P-NP-N结（称之为铝硅合金结）。结（称之为铝硅合金结）。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验7.缓变结缓变结 引引 言言线性缓变结线性缓变结N(x)NaNdxjxN-SiSiO2N-Si杂质扩散杂质扩散N-SiP扩散结扩散结)(,)(jdajdaxxNNxxNN由扩散法形成的由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从结，杂质浓度从P区到区到N区是区是逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设P-N结位置在结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为：处，则结中的杂质分布可表示为：（a）（b）如果杂质分布可用如果杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称处的切线近似表示，则称之为线性缓变结，如图之为线性缓变结，如图(b)所示。此时，线性缓变所示。此时，线性缓变结的杂质分布可表示为结的杂质分布可表示为:)()(jdaxxaNNxN-a(x-xj)第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验突变结和线性缓变结突变结和线性缓变结 引引 言言 合金结合金结和高表面浓度的和高表面浓度的浅扩散结浅扩散结一般一般可认为是可认为是突变结突变结；而低表面浓度的而低表面浓度的深扩散结深扩散结一般可认为一般可认为是是线性缓变结线性缓变结。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结CEFEPNCEFEVEVE()a 接接触触前前分分开开的的P P型型和和N N型型硅硅的的能能带带图图图图2-3 PN结示意图结示意图FpECEFnEVECEVE漂漂移移扩扩散散0q()b 接接触触后后的的能能带带图图PN扩扩散散漂漂移移()c 对对应应的的空空间间电电荷荷分分布布一、一、PN结空间电荷区的形成：结空间电荷区的形成：x耗尽区耗尽区边界区边界区边界区边界区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区 1.费米能级观点；费米能级观点；2.载流子输运观点。载流子输运观点。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：1.内建电势差（势垒）：内建电势差（势垒）：)212(ln)112(ln2020idaTidanNNVnNNkTqEFnCEVECEVE漂漂移移扩扩散散0q扩扩散散漂漂移移EiEiEFp两种证明方法：两种证明方法：（1）费米能级法：）费米能级法：)512(,lnln)412(,lnln)312(,)()(000idiiFniaiFpiiFnFpinNkTnnkTEEnNkTnpkTEEEEEEq第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：1.内建电势差（势垒）：内建电势差（势垒）：（2）静电势法：）静电势法：)10101(/exp)9101(/exp00TiTiVnpVnn取费米势为电势能的零点。取费米势为电势能的零点。N型电中性区：型电中性区：)612(,lnlnidTiTnnNVnnVP型电中性区：型电中性区：)712(,lnlniaTiTpnNVnpV内建电势差：内建电势差：)112(,lnln22000iadTiTpnnNNVnpnV内建势垒：内建势垒：)212(,ln20iadnNNkTqx耗尽区耗尽区边界区边界区边界区边界区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：1.内建电势差（势垒）：内建电势差（势垒）：【例例2.1】计算计算PN结的内建电势差。结的内建电势差。已知：已知：Si PN结，结，T=300K，Na=11018cm-3，Nd=11015cm-3,ni=1.51010cm-3.解答：解答：如果如果Na=11016cm-3，其余不变，则有：，其余不变，则有：V757.0105.11010ln026.0ln210151820iadTnNNVV637.0105.11010ln026.0ln210151620iadTnNNV讨论：掺杂浓度变化几个数量级，而内建电势差只有很小的变化。讨论：掺杂浓度变化几个数量级，而内建电势差只有很小的变化。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：1.内建电势差（势垒）：内建电势差（势垒）：【练习练习2.1】计算计算Si PN结的内建电势差。结的内建电势差。已知：已知：Si PN结，结，T=300K，ni=1.51010cm-3；(i)Na=51017cm-3，Nd=11016cm-3;(ii)Na=1015cm-3，Nd=21016cm-3;【练习练习2.2】计算计算GaAs PN结的内建电势差。结的内建电势差。已知：已知：GaAs PN结，结，T=300K，ni=1.8106cm-3；(i)Na=51017cm-3，Nd=11016cm-3;(ii)Na=1015cm-3，Nd=21016cm-3;讨论：讨论：在同等条件下，禁带宽度越大的材料的在同等条件下，禁带宽度越大的材料的PN结的内建电结的内建电势差越大。势差越大。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：2.电场和电势分布：电场和电势分布：已知电荷分布，求电场和电势的分布问题已知电荷分布，求电场和电势的分布问题.)812(,)(022sadrsNNnpqdxddxdPossion方程：方程：（1）电场分布：）电场分布：x耗尽区耗尽区边界区边界区边界区边界区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNdo)912()0(,)0(,),(,0)(ndpanpxxqNxxqNxxxxx电中性区电中性区耗尽区耗尽区边界层的宽度约为德拜长度边界层的宽度约为德拜长度LD的的3倍，一般小于倍，一般小于0.1 m，可以忽略。可以忽略。（i）电中性区：电中性区：因为电中性区无电荷，没有电力线，所有电力线都集中于耗尽区。因为电中性区无电荷，没有电力线，所有电力线都集中于耗尽区。0)(x第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（ii）P区耗尽层：区耗尽层：psapsasasasaxqNCCxqNxxCxqNdxqNxqNdxd11p10)-(0)()1112(,)()1012(,Possion，即：，：件电场强度连续性边界条方程：Pxxx耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd)0(xxp)1212()0(,)()(xxxxqNxpPsaxP区区耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn0sPaxqN电场分布图电场分布图N区区耗尽区耗尽区（1）电场分布：）电场分布：第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（iii）N区耗尽层：区耗尽层：nsdnsdxsdsdsdxqNCCxqNxxCxqNdxqNxqNdxdn22n20)(0)()1412(,)()1312(,Possion，即：，：件电场强度连续性边界条方程：x)0(nxx)1512()0(,)()(xxxxqNxnnsdxP区区耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn0sPaxqN电场分布图电场分布图sndxqNN区区耗尽区耗尽区x耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd（1）电场分布：）电场分布：第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（iv）讨论：）讨论：)1612(0mspasndxqNxqNx强：处电场连续，且电场最xP区区耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn0sPaxqN电场分布图电场分布图sndxqNN区区耗尽区耗尽区x耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd)1712(pandxNxN P区耗尽层中单位面积内的负电荷数区耗尽层中单位面积内的负电荷数=N区耗尽层中单位面积内的正电荷数；区耗尽层中单位面积内的正电荷数；P区耗尽层中的负电荷数区耗尽层中的负电荷数=N区耗尽层中区耗尽层中正电荷数；正电荷数；掺杂浓度越高的一侧，空间电荷区越薄。掺杂浓度越高的一侧，空间电荷区越薄。最大电场强度位于最大电场强度位于P、N区的交界面处。区的交界面处。（1）电场分布：）电场分布：第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（i）电中性区：）电中性区：常数)()1812(,0)()(xdxxdxx耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd),(npxxxx)1912()()(0)(0npxxxxx（2）电势分布：）电势分布：取取P型中性区的电势为零电势，则：型中性区的电势为零电势，则：)212(ln20idaTnNNV内建电势差完全降落在耗尽区（空间电荷区），内建电势差完全降落在耗尽区（空间电荷区），电中性区没有压降。电中性区没有压降。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（ii）P区耗尽层：区耗尽层：)2012(,)(2)()()(),()()(32CxxqNdxxxqNdxxxxxqNxdxxdPsaPsaPsax耗尽区耗尽区P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区-xpxn-qNaqNd)0(xxp（2）电势分布：）电势分布：由边界条件：由边界条件：00)(3Cxpxx)2112(,)(2)(2PsaxxqNxxP区区耗尽层耗尽层P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区 (x)-xpxn0spaxqN22电势分布图电势分布图N区区耗尽层耗尽层0第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（iii）N区耗尽层：区耗尽层：)2212(,)(2)()()(),()()(42CxxqNdxxxqNdxxxxxqNxdxxdnsdnsdnsd)0(xxn（2）电势分布：）电势分布：由边界条件：由边界条件：sndpaspaxxNxNqCxqNx2)(2)(22420)2312(,2)2(22)()(2)(22222spansdsndpansdxqNxxxqNxNxNqxxqNxxP区区耗尽层耗尽层P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区 (x)-xpxn0spaxqN22电势分布图电势分布图N区区耗尽层耗尽层0第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（iv）讨论：）讨论：（2）电势分布：）电势分布：电势在电势在x=xn 处连续处连续)2412(,ln2)(2220anNNVxNxNqidaTsndpaxP区区耗尽层耗尽层P型电型电中性区中性区N型电型电中性区中性区 (x)-xpxn0spaxqN22电势分布图电势分布图N区区耗尽层耗尽层0sndpaxNxNq2)(22对于均匀掺杂的半导体对于均匀掺杂的半导体PN结，电势分布为结，电势分布为空间坐标的二次函数（抛物线），因此电空间坐标的二次函数（抛物线），因此电势能的变化也是空间坐标的二次函数。势能的变化也是空间坐标的二次函数。EcEcEvEvEiEiEFpEFn)2412(,212)(0bWxxxqNmsnppa=qNaxp/2W+-0spasmxqNW2/2/0第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：（3）空间电荷区宽度）空间电荷区宽度dadasnsnadadsndpasndpaNNNNqxqxNNNNqxNxNxNxNq122)(22)(002022220)2512(/andppandNxNxxNxN同理可以推导出同理可以推导出xp，结果为：，结果为：)2712(12)2612(1200daadspdadasnNNNNqxNNNNqxnadpnxNNxxW)1()2812(20dadasNNNNqW第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：只要知道了只要知道了P区和区和N区的掺杂情况，就可以解决区的掺杂情况，就可以解决PN结的内建电势差、空结的内建电势差、空间电荷区宽度、电场分布和电势分布等问题。间电荷区宽度、电场分布和电势分布等问题。mcmNNNNqWdadas956.01056.9)10)(10(1010106.1)637.0)(1085.8)(8.11(2251516151619140【例例2.2】计算计算PN结的空间电荷区宽度及内建电场。结的空间电荷区宽度及内建电场。已知：已知：Si PN结，结，T=300K，Na=1016cm-3，Nd=1015cm-3,ni=1.51010cm-3.解答：解答：（1）首先计算内建电势差（）首先计算内建电势差（PN结势垒）。结势垒）。V637.0105.11010ln026.0ln210151620iadTnNNV（2）然后可以采用公式计算空间电荷区宽度。）然后可以采用公式计算空间电荷区宽度。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：【例例2.2】计算计算PN结的空间电荷区宽度及内建电场。结的空间电荷区宽度及内建电场。已知：已知：Si PN结，结，T=300K，Na=1016cm-3，Nd=1015cm-3,ni=1.51010cm-3.由（由（2-1-25）式可知：）式可知：mWNNWNxmWNNWNxxNxNxdadpdaannandp0869.011/)/(869.011/10)/(,1.0/空间电荷区主要空间电荷区主要位于低掺杂一侧位于低掺杂一侧。（3）由）由（2-1-16）式可知：）式可知：cmVxqNsnd/1033.1)1085.8)(8.11()1069.8)(10)(106.1(41451519mPN结势垒虽然很小，但是结区的内建结势垒虽然很小，但是结区的内建电场却很强，这是因为结区很薄的原因。电场却很强，这是因为结区很薄的原因。cmVW/1066.61056.9637.0350第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结二、电场和电势分布：二、电场和电势分布：【练习练习2.3】计算计算PN结的空间电荷区宽度及内建电场。结的空间电荷区宽度及内建电场。已知：已知：Si PN结，结，T=300K，Na=51016cm-3，Nd=51015cm-3,零偏压。零偏压。求：求：xn、xp、W、m =?【练习练习2.4】计算计算PN结的空间电荷区宽度及内建电场。结的空间电荷区宽度及内建电场。已知：已知：GaAs PN结，结，T=300K，Na=51016cm-3，Nd=51015cm-3,零偏压。零偏压。求：求：xn、xp、W、m =?（4）单边突变结（）单边突变结（one-sided abrupt junction）PN结一侧的掺杂浓度远远高于结的另一侧，这样的结一侧的掺杂浓度远远高于结的另一侧，这样的PN结称为单边突变结。结称为单边突变结。例如：结深很浅的扩散结可以近似看做单边突变结。例如：结深很浅的扩散结可以近似看做单边突变结。若若Na Nd，称为，称为P+N结结；若若Nd Na，称为，称为PN+结结.第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结以以P+N结为例结为例,(NaNd)。(a)空间电荷区宽度：空间电荷区宽度：(b)电场分布电场分布:(c)电势分布电势分布:（4）单边突变结（）单边突变结（one-sided abrupt junction）)2912(/20dsnqNxW)3012(/sdmWqN)0(xxn)3112()/1()(Wxxm)0(xxnNd(a)空间电荷分布空间电荷分布P+Oxn-xp-NaNa Nd Nd-Na(b)电场分布电场分布xxN mO(c)电势分布电势分布x0O)3212(N)2(2(0)(2侧）（侧）xWxqNPxsd)3312(2/20sdWqN第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结（5）线性缓变变结（）线性缓变变结（Linearly graded junction）122)(Cqaxxs(a)空间电荷分布空间电荷分布PO-W/2Nd-Na(b)电场分布电场分布xxN mO(c)电势分布电势分布x0OW/2+-(a)空间电荷区分布：空间电荷区分布：(b)电场分布电场分布:(c)电势分布电势分布:)2/2/(WxWaxNNad)3412(Possionsqaxdxd方程：sqaWCW8/0)2/(21结合边界条件结合边界条件)3512(8)4()(22sWxqax-W/2W/2设设P侧中性区的电势为零。侧中性区的电势为零。)3612(12432)(323WxWxqaxsW/2-W/2第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结（5）线性缓变变结（）线性缓变变结（Linearly graded junction）(a)空间电荷分布空间电荷分布PO-W/2Nd-Na(b)电场分布电场分布xxN mO(c)电势分布电势分布x0OW/2+-(d)内建电势差内建电势差:-W/2W/2另一种方法求内建电势差：以费米势为电势零点另一种方法求内建电势差：以费米势为电势零点)3712(12)2()2(30sqaWWWW/2-W/2iTiTnnaWVnnV2lnlniTiTpnaWVnpV2lnln)3812(2ln20iTpnnaWV(e)空间电荷区宽度空间电荷区宽度:)3912(123/10qaWs第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结三、小结：三、小结：1.结：结：由两种不同材料（绝缘体除外）形成的冶金学接触称为结。半导体由两种不同材料（绝缘体除外）形成的冶金学接触称为结。半导体结有结有同型同质结、同型异质结、异型同质结、异型异质结同型同质结、同型异质结、异型同质结、异型异质结之分。之分。2.PN结类型结类型（根据杂质分布）（根据杂质分布）：（1）突变结：）突变结：P区和区和N区杂质过渡陡峭的区杂质过渡陡峭的PN结。结。（2）线性缓变结：）线性缓变结：P区和区和N区之间杂质过渡是渐变的区之间杂质过渡是渐变的PN结。结。（3）单边突变结：）单边突变结：一侧杂质浓度远远大于另一侧杂质浓度的突变结。一侧杂质浓度远远大于另一侧杂质浓度的突变结。3.说明说明PN结空间电荷区的形成过程。结空间电荷区的形成过程。【要求两种方法要求两种方法（1）热平衡体系的热平衡体系的费米能级恒定原理；（费米能级恒定原理；（2）考虑载流子的扩散和漂移过程。）考虑载流子的扩散和漂移过程。】4.耗尽层近似：耗尽层近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似就是耗尽层近似。所以以忽略，这种近似就是耗尽层近似。所以PN结空间电荷区又称为耗尽区。结空间电荷区又称为耗尽区。5.内建电势差：内建电势差：空间电荷区内存在内建电场，因而空间电荷区两侧存在电空间电荷区内存在内建电场，因而空间电荷区两侧存在电势差，称为内建电势差（常用势差，称为内建电势差（常用0 表示）。表示）。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.1 热平衡（无偏压）热平衡（无偏压）PN结结三、小结：三、小结：6.势垒区：势垒区：由于内建电势差存在，由于内建电势差存在，N区电子通过空间电荷区进入区电子通过空间电荷区进入P区需要克区需要克服势垒服势垒q0,P区空穴进入区空穴进入N区也需要克服势垒区也需要克服势垒q0，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为势垒区。势垒区。7.中性区：中性区：理想情况下，理想情况下，PN结空间电荷区外部区域不存在电场，常称为中结空间电荷区外部区域不存在电场，常称为中性区。性区。8.能够画出热平衡时能够画出热平衡时PN结能带图。结能带图。9.推导空间电荷区内建电势差公式：推导空间电荷区内建电势差公式：【要求两种方法要求两种方法（1）中性区电中性条件法；中性区电中性条件法；（2）费米能级恒定法。）费米能级恒定法。】10.要求会求解要求会求解Possion方程，得到空间电荷区内建电场分布、内建电势分布、方程，得到空间电荷区内建电场分布、内建电势分布、内建电势差的耗尽层宽度等。内建电势差的耗尽层宽度等。20lnidaTpnnNNV第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.2 加偏压的加偏压的PN结结1.SCR的电阻的电阻电中性区的电阻，外加电中性区的电阻，外加电压几乎直接降落在电压几乎直接降落在SCR上；上；2.正偏（正偏（P侧接正极）时，侧接正极）时，SCR变窄，变窄，势垒高度降低，有助于载流子扩散通势垒高度降低，有助于载流子扩散通过过PN结，产生大电流，正向导通；结，产生大电流，正向导通；3.反偏（反偏（P侧接负极）时，侧接负极）时，SCR变宽，变宽，势垒高度增大，阻挡载流子通过势垒高度增大，阻挡载流子通过PN结结扩散，电流非常小，反向截止。扩散，电流非常小，反向截止。4.PN结具有单向导电性，或整流特性。结具有单向导电性，或整流特性。PNCEFnEVE能量E（）W 0()qVqVFpEV()bCEFEVEPNiE能量E（）W0q()a一、一、PN结的单向导电性：结的单向导电性：加加偏偏压压下下的的PN结结能能带带图图()cPNCEFnEVE能量E（）W FpERViE0()RqVRqV第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验1.正向偏压时，外加电压全部降落在正向偏压时，外加电压全部降落在SCR，外加电场方向与内建电场方向相反，外加电场方向与内建电场方向相反，SCR中的电场减弱，空间电荷相应减少，故中的电场减弱，空间电荷相应减少，故SCR的宽度也减小，同时势垒高度从的宽度也减小，同时势垒高度从下降为下降为 。2.SCR中电场变弱，因而扩散电流大于漂中电场变弱，因而扩散电流大于漂移电流，形成了由移电流，形成了由P区指向区指向N区的正向导通区的正向导通电流。电流。3.电子通过势垒区扩散入电子通过势垒区扩散入P区，在边界区，在边界xp处形成电子的积累，成为处形成电子的积累，成为P区的非平衡少区的非平衡少数载流子，结果使数载流子，结果使xp处电子浓度比处电子浓度比P区内区内部高，形成了从部高，形成了从xp处向处向P区内部的电子扩区内部的电子扩散流。散流。4.非平衡少子边扩散边与非平衡少子边扩散边与P区的空穴复合，区的空穴复合，经过扩散长度的距离后，全部被复合。这经过扩散长度的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区。一段区域称为扩散区。2.2 加偏压的加偏压的PN结结PNCEFnEVE能量E（）W0()qVqVFpEV()b一、一、PN结的单向导电性：结的单向导电性：0q）V-(0q1.PN结正偏时的物理过程结正偏时的物理过程外加电场外加电场内建电场内建电场第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验5.正向偏压一定时，单位时间内从正向偏压一定时，单位时间内从N区扩区扩散到散到xp处的非平衡电子浓度是一定的，并处的非平衡电子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分布，从而在在扩散区内形成一稳定的分布，从而在xp处形成一不变的向处形成一不变的向P区内部流动的电子扩区内部流动的电子扩散流。散流。6.同理，在边界同理，在边界xn处也有一不变的向处也有一不变的向N区区内部流动的空穴扩散流。内部流动的空穴扩散流。7.N区的电子和区的电子和P区的空穴都是多数载流区的空穴都是多数载流子，分别进入子，分别进入P区和区和N区后形成区后形成P区和区和N区区的非平衡少数载流子。的非平衡少数载流子。8.当增大正偏压时，势垒降得更低，增大当增大正偏压时，势垒降得更低，增大了流入了流入P区的电子流和流入区的电子流和流入N区的空穴流，区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。的电注入。2.2 加偏压的加偏压的PN结结PNCEFnEVE能量E（）W0()qVqVFpEV()b一、一、PN结的单向导电性：结的单向导电性：1.PN结正偏时的物理过程结正偏时的物理过程外加电场外加电场内建电场内建电场第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验2.5 隧道电流隧道电流二、隧道电流产生条件：二、隧道电流产生条件：1.1.费米能级位于导带或价带的内部；费米能级位于导带或价带的内部；2.2.空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；3.3.在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。一侧的能带中有空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时1 1、2 2条件满足。条件满足。外加偏压可使条件外加偏压可使条件3 3满足。满足。第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验p(a)(b)(d)(c)图图2-12 2-12 正偏压条件下隧道结的能带图正偏压条件下隧道结的能带图 第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验图图2-12 2-12 反偏压条件下隧道结的能带图反偏压条件下隧道结的能带图 (e)第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验0.20.40.60.81.010-410-310-210-110010-520406080100101102I(A)100VR=6V150C25C-55CT(C)图图2-15硅平面二极管电流硅平面二极管电流电压特性的温度效应电压特性的温度效应图图2-16在硅在硅PN结二极管结二极管中反向饱和电流与温度的中反向饱和电流与温度的关系关系I(A)Voltage（V）103第二章第二章 PN结结国家级精品课程国家级精品课程半导体器件物理与实验半导体器件物理与实验101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 52 5 2 25 BCNV 有效范围：31033102pF/2 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 3010NNBC 有效范围：31043103pF/2 2（a）（b）10jx 5 2 1 5.0 10jx 5 2 1 5.0 图2-19 对于扩散的硅NP结二极管，在各种结深jx的情况下，单位面积电容 C相对总结电压V除以本底浓度BCN的关系