第一章 PN 结

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,微电子器件基础,第,1,章,PN,结,第,1,章,PN,结,1.1,平衡,PN,结,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,1.3,过渡区电容和扩散电容,1.1,平衡,PN,结,PN,结含义：,在一块,N,型（或,P,型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把,P,型（或,N,型）杂质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域分别具有,N,型和,P,型的导电类型，在二者交界面的,过渡区,即称为,PN,结,。,P,N,PN,结,1.1,平衡,PN,结,1.1.1,内建电场和内建电势,1,、突变结,单边突变结,P,N,结,N,P,结,P,区,N,区,x,杂质浓度,x,j,N,A,N,D,1.1,平衡,PN,结,1.1.1,内建电场和内建电势,2,、平衡,PN,结能带图,空间电荷区,内建电场,P,N,x,p,x,n,V,D,qV,D,位,电,能,势,子,电,量,能,qV,D,E,C,E,V,E,F,E,i,1.1,平衡,PN,结,1.1.1,内建电场和内建电势,2,、平衡,PN,结能带图,V,D,:,接触电势差,空间电荷区又称,势垒区,耗尽层,空间电荷区,内建电场,P,N,x,p,x,n,V,D,qV,D,位,电,能,势,子,电,量,能,qV,D,E,C,E,V,E,F,E,i,1.1,平衡,PN,结,由此可求,V,D,3,、内建电势差,1.1.1,内建电场和内建电势,1.1,平衡,PN,结,式中,N,A,：,P,区掺杂浓度；,N,D,：,N,区掺杂浓度,n,i,：本征载流子浓度,对于锗,PN,结，通常可取,V,D,=0.30.4,V,对于硅,PN,结，通常可取,V,D,=0.60.7,V,1.1.1,内建电场和内建电势,热电压,1.1,平衡,PN,结,1.1.2,耗尽近似,耗尽近似假定空间电荷区内载流子全部耗尽，离化杂质中心提供空间电荷，空间电荷的分布在边界上突变过渡。,在耗尽近似下，边界区被忽略，空间电荷区内载流子全部耗尽，因而提到,PN,结时，空间电荷区以及耗尽区两术语可交替使用。,1.1,平衡,PN,结,1.1.3,准中性近似,缓变结,N,P,x,杂质浓度,x,j,N,D,-N,A,1.1,平衡,PN,结,1.1.3,准中性近似,缓变结近似,缓变,PN,结附近杂质浓度的两种近似处理方法,A,线性缓变结近似,B,突变结近似,N,P,x,杂质浓度,x,j,N,D,-N,A,1.1,平衡,PN,结,1.1.3,准中性近似,缓变结近似,A,线性缓变结近似,适用于表面杂质浓度较低、结深较深的缓变结,x,杂质浓度,x,j,N,D,-N,A,杂质浓度,x,j,x,j,1.1,平衡,PN,结,PN,结的类型,缓变结近似,B,突变结近似,适用于表面杂质浓度较高、结深较浅的缓变结,x,杂质浓度,x,j,N,D,-N,A,杂质浓度,x,j,x,1.1,平衡,PN,结,1.1.3,准中性近似,缓变杂质分布区的内建电场,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,空间电荷区,几个基本概念：,空间电荷,空间电荷区,内建电场,内建电势差,V,D,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,均匀掺杂,pn,结空间电荷区的电场,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,突变结,当,-x,p,x 0,时,当,0,x x,n,时,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,均匀掺杂,pn,结空间电荷区的电势,1.2,空间电荷区的电场和电势分布,当,-x,p,x 0,时,当,0,x x,n,时,1.3,过渡区电容和扩散电容,PN,结电容,过渡区电容,（势垒电容）,扩散电容,1.3,过渡区电容,C,T,和扩散电容,C,D,1.3.1,过渡区电容,一、,过渡区电容的来源,当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电，这就是,PN,结,过渡区电容，,亦称,势垒电容,。,1.3,过渡区电容和扩散电容,二、突变结势垒电容计算,三、线性缓变结势垒电容计算,1.3,过渡区电容和扩散电容,四、势垒电容的讨论,（,1,）,PN,结势垒电容和平板电容的不同，是非线性电容,（,2,）,PN,结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应,（,3,）,PN,结势垒电容与外加电压有关,正偏电压越高，电容越大。,反偏电压越高，电容越小。,（,4,）,PN,结势垒电容与外加电压的关系与,PN,结的杂质分布有关,（,5,）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与实际值接近，而正偏下计算的,C,T,则误差较大,1.3,过渡区电容和扩散电容,1.3.2 PN,结扩散电容,一、定义,正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为,“,扩散电容,”,。,当,PN,结外加正向偏压,V,，在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。,当,V,升高，注入的“少子”电荷增多。相当于电容,“充电”,；当,V,降低，注入的“少子”电荷减少，相当于电容,“放电”,。,1.3,过渡区电容和扩散电容,1.3,过渡区电容和扩散电容,二、扩散电容计算,设扩散区内，非平衡载流子的分布近似为线性分布。则,L,P,内的总电荷为：,同理，在,L,n,内,：,习题,1.,硅突变结的掺杂浓度为,N,a,=2,10,16,cm,-3,，,N,d,=2 10,15,cm,-3,，温度为,T=300K,。计算（,a,）,V,bi,，（,b,）,V,R,=0,与,V,R,=8V,时的,W,，（,c,）,V,R,=0,与,V,R,=8V,时的最大电场。,