光電器件課件第二章.ppt

1、第二章 PN 結(jié),pn結(jié)是大多數(shù)半導體器件都會涉及到的結(jié)構(gòu)。因而半導體器 件的特性與工作過程同pn結(jié)的特性和原理密切相關。因而 pn結(jié)對于半導體器件的學習是特殊重要的。在pn結(jié)基本結(jié) 構(gòu)和原理的學習過程中，我們會遇到一些非?；竞椭匾?概念，是以后的學習過程中會不斷提到的，因而一定要理解 這些概念的物理涵義和基本性質(zhì)。 重點概念：空間電荷區(qū)、耗盡區(qū)、勢壘區(qū)、內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢差、反偏、勢壘電容等等 分析pn結(jié)模型的基礎：載流子濃度、費米能級、電中性條件、載流子的漂移與擴散、雙極輸運方程,2.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu),若在同一半導體內(nèi)部，一邊是P 型，一邊是N 型，則會 在P 型區(qū)和N 型區(qū)的交界

2、面附近形成pn 結(jié)，它的行為 并不簡單等價于一塊P型半導體和N 型半導體的串聯(lián)。 這種結(jié)構(gòu)具有特殊的性質(zhì)：單向?qū)щ娦浴?PN 結(jié)是許多重要半導體器件的核心,零偏（熱平衡）pn結(jié) p型半導體與n型半導體的能帶圖 pn結(jié)的能帶圖 內(nèi)建電勢差,Ec,Ev,EFi,EF,Ec,Ev,EFi,EF,耗盡近似：認為在勢壘區(qū)中全部自由載流子都被耗盡。,電場強度,p,n,E,-xp,xn,eNd,eNa,內(nèi)建電場由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，電場強度的大小和電荷密度的關系由泊松方程確定：,其中為電勢，E為電場強度，為電荷密度，s為介電常數(shù)。從圖可知，電荷密度(x)為：,耗盡區(qū)假設,耗盡近似：認為在勢壘區(qū)中 全部自

3、由載流子都被耗盡。,則p側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)電場可以積分求得：,邊界條件：x=-xp時，E=0,相應，n側(cè)空空間電荷區(qū)電場：,邊界條件：x=xn時，E=0,p側(cè)電場和n側(cè)電場在界面處（x=0）連續(xù)，即：,-xp,xn,eNd,eNa,-xp,xn,x=0,E,因而兩側(cè)空間電荷區(qū)的寬度xp和xn有關系：,空間電荷區(qū)整體保持電中性,空間電荷區(qū)主要向低摻雜一側(cè)延伸,根據(jù)電場強度和電勢的關系，將p區(qū)內(nèi)電場積分可得電勢：,確定具體的電勢值需要選擇參考點，假設x=xp處的電勢為0，則可確定積分常數(shù)值C1和p區(qū)內(nèi)的電勢值為：,同樣的，對n區(qū)內(nèi)的電勢表達式積分，可求出：,當x=0時，電勢值連續(xù)，因而利用p區(qū)電勢公式

4、可求出：,pp0,np0,nn0,pn0,-xp,xn,x=0,E,p,n,=0,=Vbi,電勢和距離是二次函數(shù)關系，即拋物線關系,空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度變化,顯然，x=xn時，=Vbi，因而可以求出：,空間電荷區(qū)寬度,p,n,xp+xn,由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)知道：,將該式代入用電勢公式求出的Vbi式，可得到：,空間電荷區(qū)寬度與摻雜濃度有關,熱平衡狀態(tài)下pn結(jié)處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢差 內(nèi)建電場從n區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向p區(qū)空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場在p、n交界處最強 因為是熱平衡狀態(tài)，p區(qū)、n區(qū)及空間電荷區(qū)內(nèi)具有統(tǒng)一的費米能級 空間電荷區(qū)內(nèi)的漂移電流和擴散電流向平衡，無宏觀電流。

5、p、n兩側(cè)的空間電荷總數(shù)量相等，對外部保持整體的電中性 空間電荷區(qū)內(nèi)無（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區(qū)； 空間電荷區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場，表現(xiàn)為電子的勢壘，因而又稱為勢壘區(qū) 空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關,這一關系給出了內(nèi)建電勢差在p、n兩側(cè)的分配關系。這也解釋了為什么對于單邊突變結(jié)（p+n或pn+)來說，電壓主要降落在輕摻雜一側(cè)。外加電壓同樣會分配在pn結(jié)兩側(cè)，其分配比例不變。,因為在同樣的耗盡假設下，求解泊松方程的過程是完全相同的，只是將整個電場積分后的電勢差Vbi代換為Vbi-Vapp,零偏狀態(tài)下 內(nèi)建電勢差形成的勢壘維持著p區(qū)和n區(qū)內(nèi)載流子的平衡 內(nèi)建電場造成的漂移電流和擴散電流相平

6、衡,pn結(jié)的單向?qū)щ娦?pn 結(jié)兩端加正向偏壓V后， V基本上全降落在耗盡區(qū)的勢壘上；由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。 勢壘高度由平衡時的eVbi降低到了e(Vbi-V) ；正向偏置電壓V在勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電場與自建電場方向相反，勢壘區(qū)中的電場強度減弱，并相應的使空間電荷數(shù)量減少，勢壘區(qū)寬度變窄。,產(chǎn)生了凈擴散流； 電子：N區(qū) P區(qū)空穴：P區(qū) N區(qū) 熱平衡時載流子漂移流與擴散流相互抵消的平衡被打破：勢壘高度降低，勢壘區(qū)中電場減弱，相應漂移運動減弱，因而使得漂移運動小于擴散運動，產(chǎn)生了凈擴散流。,在空間電荷區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生了過剩載流子； 通過勢壘區(qū)進入P區(qū)的電子

7、和進入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過剩載流子。這稱為正向注入，由于注入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。 邊界上注入的過剩載流子，不斷向體內(nèi)擴散，經(jīng)過大約幾個擴散長度后，又恢復到了平衡值。,外加偏壓時勢壘區(qū)附近的載流子分布 準費米能級 用準費米能級代替費米能級的位置，給出的是對應的載流子在非平衡態(tài)條件下的密度 導帶電子準費米能級EFN和價帶空穴準費米能級EFP 類似于平衡態(tài)非簡并半導體的載流子濃度公式： 非平衡態(tài)下的載流子濃度可寫為：,（2.1）,（2.2）,變換上兩式,（2.3）,（2.4

8、）,（2.5）,（2.6）,小注入：由于注入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。,pn結(jié)的零偏、正偏和反偏,考慮小注入情況在視類區(qū)域內(nèi)空穴密度近似等于熱平 衡時的空穴密度，其費米能級近似為熱平衡狀態(tài)時的空穴費米能級,正向偏壓下,反向偏壓下，在x=xn處的邊界處的空穴密度為：,在x=-xp處的邊界處的電子密度為：,加正向電壓、反向電壓時的載流子密度和電流密度分布,由此，我們可以得出PN結(jié)處于正偏和反偏條件時，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布,正偏,反偏,正偏電流圖像 當電流由P區(qū)歐姆接觸進入時，幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴

9、在外電場作用下向電源負極漂移； 由于少子濃度遠小于多子濃度可以認為這個電流完全由多子空穴攜帶。 空穴沿x方向進入電子擴散區(qū)以后，一部分與N區(qū)注入進來的電子不斷地復合，其攜帶的電流轉(zhuǎn)化為電子擴散電流；,另一部分未被復合的空穴繼沿x方向漂移，到達-xp的空穴電流，通過勢壘區(qū)； 若忽略勢壘區(qū)中的載流子產(chǎn)生-復合，則可看成它全部到達了xn處，然后以擴散運動繼續(xù)向前，在N區(qū)中的空穴擴散區(qū)內(nèi)形成空穴擴散流；,在擴散過程中，空穴還與N區(qū)漂移過來的電子不斷地復合，使空穴擴散電流不斷地轉(zhuǎn)化為電子漂移電流； 直到空穴擴散區(qū)以外，空穴擴散電流全部轉(zhuǎn)化為電子漂移電流。忽略了少子漂移電流后，電子電流便構(gòu)成了流出N區(qū)歐姆

10、接觸的正向電流。,空穴電流與電子電流之間的相互轉(zhuǎn)化，都是通過在擴散區(qū)內(nèi)的復合實現(xiàn)的，因而正向電流實質(zhì)上是一個復合電流。,反偏電流圖像 pn在反向偏置下， P區(qū)的多子空穴受外電場的作用向P區(qū)的歐姆接觸負電極漂移，同時增強的空間電荷區(qū)電場也不斷地把N區(qū)的少子空穴拉過來； N區(qū)的電子受外電場作用向N區(qū)的歐姆接觸正電極漂移，同時空間電荷區(qū)自建電場亦不斷地把P區(qū)的少子電子拉過來； N區(qū)邊界xn處的空穴被勢壘區(qū)的強電場驅(qū)向P區(qū)，而P區(qū)邊界-xp處的電子被驅(qū)向N區(qū)，當這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補充，形成反偏下的空穴擴散電流和電子擴散電流。這種情況好象少數(shù)載流子不斷地被抽向?qū)Ψ?，所以稱為少數(shù)載

11、流子的抽取。,勢壘高度和載流子濃度的對應關系偏壓對空間電荷區(qū)邊界處注入的非平衡載流子濃度的調(diào)制理想pn結(jié)電流-電壓關系 正偏狀態(tài)的pn結(jié)，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指數(shù)增加。反偏時趨于飽和 當產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除以后，非平衡載 流子也就逐漸消失，半導體最終恢復到平衡態(tài)。 半導體由非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)的過程，也就是非平衡載流子逐步消失的過程，稱為非平衡載流子的復合。,PN結(jié)電容,小節(jié) 勢壘高度和載流子濃度的對應關系偏壓對空間電荷區(qū)邊 界處注入的非平衡載流子濃度的調(diào)制理想pn結(jié)電流-電壓 關系 正偏狀態(tài)的pn結(jié)，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指 數(shù)增加。反偏時趨于飽和 隨著溫度的

12、升高，反偏飽和電流增大，相同正向電流下的 偏壓降低 利用溫度特性可以制成對溫度敏感的二極管，作為溫度探 測器件。但同時二極管的溫度特性要求二極管要正確應 用，避免形成溫度正反饋導致燒毀 當pn結(jié)二極管的中性區(qū)長度遠小于擴散長度時為短二極 管，擴散區(qū)縮短，擴散區(qū)內(nèi)的復合作用可以忽略。雙極晶 體管中的EB結(jié)通常就是一個短pn結(jié),再利用上述兩個邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運方程最終的解為：,對于WnLp的條件，我們還可以對上式做進一步的簡化，因為此時有：,再利用上述兩個邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運方程最終的解為：,單邊突變結(jié)：一側(cè)高摻雜，而另一側(cè)低摻雜的突變結(jié),p+n或pn+,單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)擴展,單邊突變結(jié)的勢壘主要降落在輕摻雜一側(cè),注入到p（n）型區(qū)中的電子（空穴）會進一步擴散和復合，因此公式給出的實際上是耗盡區(qū)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度。 上述邊界條件雖然是根據(jù)pn結(jié)正偏條件導出的，但是對于反偏情況也是適用的。因而當反偏電壓足夠高時，從上述兩式可見，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度基本為零。,pn在反向偏置下， P區(qū)的多子空穴受外電場的作用向P區(qū)的歐姆接觸負電極漂移，同時增