2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體

p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體2p-n結(jié)：由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)。整流性：只容許電流流經(jīng)單一方向。p-n結(jié)形成前p型和n型半導(dǎo)體材料分離。費(fèi)米能級(jí)在p型材料中接近價(jià)帶邊緣，在n型中則接近導(dǎo)帶邊緣。p型，空穴為多子，電子為少子；n型剛好相反。p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體3p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合空穴離開(kāi)p側(cè)，結(jié)附近部分受主離子NA-未能夠受到補(bǔ)償，因受主被固定在半導(dǎo)體晶格。結(jié)附近部分施主離子ND+，在電子離開(kāi)n側(cè)時(shí)未能得到補(bǔ)償。負(fù)空間電荷在接近結(jié)p側(cè)形成，正空間電荷在接近結(jié)n側(cè)形成?？臻g電荷區(qū)域產(chǎn)生了一電場(chǎng)（內(nèi)建電場(chǎng)）：由正空間電荷指向負(fù)空間電荷。熱平衡時(shí)，整個(gè)樣品上的費(fèi)米能級(jí)是常數(shù)（亦即與x無(wú)關(guān)）。4熱平衡時(shí)，p型和n型中性區(qū)的總靜電勢(shì)差即為內(nèi)建電勢(shì)Vbi無(wú)外加偏壓，橫跨結(jié)的總靜電勢(shì)是Vbi。從p端到n端其對(duì)應(yīng)的電勢(shì)能差是qVbi。p端加一相對(duì)于n端的電壓VF，p-n結(jié)正偏?？邕^(guò)結(jié)的總靜電勢(shì)減少VF，即Vbi-VF。因此，正偏降低耗盡區(qū)寬度。在n端加上相對(duì)于p端的電壓VR，p-n結(jié)反偏，總靜電勢(shì)增加VR，即Vbi+VR。反向偏壓會(huì)增加耗盡區(qū)寬度。反偏，耗盡層勢(shì)壘電容為主要結(jié)電容。正偏，對(duì)結(jié)電容會(huì)產(chǎn)生顯著的附加電容（即擴(kuò)散電容）。5pn結(jié)理想電流-電壓特性的假設(shè)：①耗盡區(qū)為突變邊界，且假設(shè)在邊界之外，半導(dǎo)體為電中性。②邊界的載流子濃度和跨過(guò)結(jié)的靜電電勢(shì)有關(guān)。③小注入情況，亦即注入的少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度，即在中性區(qū)邊界上，多子濃度因加上偏壓而改變的量可忽略。④耗盡區(qū)內(nèi)無(wú)產(chǎn)生和復(fù)合電流，且電子和空穴電流在耗盡區(qū)內(nèi)為常數(shù)，p-n結(jié)內(nèi)的電流處處相等。為n區(qū)空穴（少子）的擴(kuò)散長(zhǎng)度。為p區(qū)電子（少子）擴(kuò)散長(zhǎng)度。理想二極管方程式為：反偏，耗盡區(qū)內(nèi)主要考慮產(chǎn)生-復(fù)合中的產(chǎn)生電流；而正偏時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)則主要考慮俘獲過(guò)程。6雙極型器件：電子與空穴皆參與導(dǎo)通，由兩個(gè)相鄰的互作用的p-n結(jié)組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大；基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過(guò)基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過(guò)集電區(qū)。由鄰近的射基結(jié)注射過(guò)來(lái)的空穴可在反偏集基結(jié)造成大電流，此為晶體管放大作用，且只有當(dāng)此兩p-n結(jié)足夠接近時(shí)才會(huì)發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。7

為推導(dǎo)理想晶體管的電流、電壓表示式，作下列五點(diǎn)假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（2）基區(qū)中空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒(méi)有產(chǎn)生-復(fù)合電流；（5）晶體管中無(wú)串聯(lián)電阻。晶體管三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少子分布來(lái)決定。根據(jù)射基結(jié)與集基結(jié)上偏壓的不同，雙極型晶體管有四種工作模式。晶體管有四種工作模式。8共射組態(tài)下，當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時(shí)，基區(qū)寬度將會(huì)減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會(huì)增加。這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點(diǎn)，稱為厄雷電壓。低頻，共基電流增益是一固定值；頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后，共基電流增益將會(huì)降低。右圖顯示熱平衡狀態(tài)，兩個(gè)半導(dǎo)體形成理想異質(zhì)結(jié)的能帶圖。在此圖中，假設(shè)此兩不同半導(dǎo)體的界面沒(méi)有陷阱或產(chǎn)生-復(fù)合中心。必須選擇晶格常數(shù)很接近的材料來(lái)符合此假設(shè)。異質(zhì)界面處的能帶是不連續(xù)的。9右圖為V=0，理想p型MOS二極管的能帶圖。q

m、q

s：功函數(shù)，qχ：電子親和力，qΨB：費(fèi)米能級(jí)EF與本征費(fèi)米能級(jí)Ei差。理想MOS二極管定義為：(1)零偏壓時(shí)，q

ms為零，即能帶是平的（稱為平帶狀況）。(2)任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等、極性相反；(3)直流偏壓下，無(wú)載流子通過(guò)氧化層，氧化層電阻值無(wú)窮大。10理想MOS二極管偏壓為正或負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)三種狀況(1)p型半導(dǎo)體，施加負(fù)電壓，接近半導(dǎo)體表面的能帶向上彎曲。使EF-Ei變大，提升空穴的濃度，氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象。理想MOS二極管，不論外加電壓為多少，器件內(nèi)部均無(wú)電流流動(dòng)，半導(dǎo)體內(nèi)部費(fèi)米能級(jí)為一常數(shù)。(2)外加小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶向下彎曲，EF=Ei，多子空穴耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象。半導(dǎo)體中單位面積的空間電荷Qsc值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度。11起初，因電子濃度較小，表面處于一弱反型狀態(tài)，當(dāng)能帶持續(xù)彎曲，使得EC接近EF。當(dāng)靠近SiO-Si界面的電子濃度等于襯底的摻雜量時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)反型。之后，大部分在半導(dǎo)體中額外的負(fù)電荷是由電子在很窄的n型反型層（0≤x≤xi）中產(chǎn)生的電荷Qn[如右上圖]所組成，其中xi為反型層的寬度。xi通常遠(yuǎn)小于表面耗盡區(qū)的寬度。(3)外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴(yán)重。由于EF-Ei＞0，半導(dǎo)體表面電子濃度大于ni，而空穴濃度小于ni，表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象。12類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開(kāi)溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開(kāi)溝耗盡型+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開(kāi)溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開(kāi)溝耗盡型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0Tn