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1、Semiconductor Physics,2023/7/12,1,第五章 p-n结,1 p-n结基本概念 2 p-n结的电流电压特性 3 p-n结电容效应 4 p-n结的隧道效应 5 p-n结的光生伏特效应,Semiconductor Physics,2023/7/12,2,PN结半导体器件基本结构之一,半导体器件主要有67种，还有110个相关的变种，但都是由少数的基本模块构成：pn结金属半导体接触MOS结构异质结超晶格,Semiconductor Physics,2023/7/12,3,1 p-n结及其基本概念,(1)p-n结的形成(2)p-n结的基本概念,Semiconductor Ph
2、ysics,2023/7/12,4,p-n结的形成p-n结的形成 控制同一块半导体的掺杂,形成pn结(合金法;扩散法;离子注入法等)在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体同质结和异质结 由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结-同质结 由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结,Semiconductor Physics,2023/7/12,5,工艺简介:合金法合金烧结方法形成pn结 扩散法高温下热扩散,进行掺杂 离子注入法将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子剂量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），
3、用于形成浅结杂质分布的简化近似:突变结 适用于离子注入浅结扩散和外延生长，Xj3um,Semiconductor Physics,2023/7/12,6,图6-2,图6-3,合金法,Semiconductor Physics,2023/7/12,7,扩散法,离子注入法,Semiconductor Physics,2023/7/12,8,p-n结的基本概念空间电荷区:在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.扩散的结果:在结面附近,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主).空间电荷区中存在电场-内建电场,内建电场的方向:np.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.,Semicond
4、uctor Physics,2023/7/12,9,Semiconductor Physics,2023/7/12,10,平衡p-n结及其能带图:当无外加电压,载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消,电荷没有净流动),p-n结有统一的EF(平衡pn结)结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).,Semiconductor Physics,2023/7/12,11,热平衡条件,P,N,Hole,Silicon(p-type),Silicon(n-type),Semiconductor Physics,2023/7/12,12,qVD,Semicond
5、uctor Physics,2023/7/12,13,接触电势差:pn结的势垒高度eVD 接触电势差VD(Vbi)对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:VD与二边掺杂有关,与Eg有关,Semiconductor Physics,2023/7/12,14,图6-8,电势,电子势能(能带),Semiconductor Physics,2023/7/12,15,平衡p-n结的载流子浓度分布:当电势零点取x=-xp处,则有:势垒区的载流子浓度为:,Semiconductor Physics,2023/7/12,16,即有:,-,Semiconductor Physics,2023/7/12,17,
6、Semiconductor Physics,2023/7/12,18,平衡p-n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系服从玻尔兹曼关系 处处都有np=ni2 势垒区是高阻区(常称作耗尽层),Semiconductor Physics,2023/7/12,19,2 p-n结的电流电压特性,(1)dEF/dx与电流密度的关系(2)正向偏压下的p-n结(3)反向偏压下的p-n结(4)理想p-n结(5)伏安特性,Semiconductor Physics,2023/7/12,20,dEF/dx与电流密度的关系EF随位置的变化与电流密度的关系热平衡时,EF处处相等,p-n结无电流
7、通过(动态平衡).当p-n结有电流通过,EF就不再处处相等.且,电流越大,EF随位置的变化越快.,Semiconductor Physics,2023/7/12,21,总之:是否有电荷流动,并不仅仅取决于是否存在电场当电流密度一定时,dEF/dx与载流子浓度成反比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):,Semiconductor Physics,2023/7/12,22,Semiconductor Physics,2023/7/12,23,正向偏压下的p-n结,势垒:外电压主要降落于势垒区 加正向偏压V,势垒高度下降为 e(VD-V),势垒区宽度减少.,图6-10,S
8、emiconductor Physics,2023/7/12,24,非平衡子的电注入:正向偏压下,势垒区内电场减少载流子的扩散流漂移流非平衡载流子电注入形成少子扩散区.(外加正向偏压增大,非平衡载流子电注入增加)边界处的载流子浓度为:稳态时,扩散区内少子分布也是稳定的.,Semiconductor Physics,2023/7/12,25,正向偏压下非平衡少子的分布,Semiconductor Physics,2023/7/12,26,电流:在体内,电流是多子漂流电流 在少子扩散区,多子电流主要是漂流电流;少子电流是扩散电流 讨论空穴电流的变化:在电子扩散区,空穴(多子)边漂移边与电子复合;势
9、垒区很薄,势垒区中空穴电流可认为不变;在空穴扩散区,空穴(少子)边扩散边与电子复合.类似地,可讨论电子电流的变化:,Semiconductor Physics,2023/7/12,27,稳态下,通过任一截面的总电流是相等的 J=J+J-=J+(xn)+J-(-xp)绿色:漂移电流.紫色:扩散电流.,Semiconductor Physics,2023/7/12,28,准费米能级:EF-,EF+在势垒区,扩散区,电子和空穴有不同的准费米能级:在扩散区,可认为多子的准费米能级保持不变 在势垒区,近似认为准费米能级保持不变 在扩散区,少子的准费米能级与位置有关,且有:,Semiconductor P
10、hysics,2023/7/12,29,Semiconductor Physics,2023/7/12,30,反向偏压下的p-n结,势垒高度:e(VD+|V|)非平衡子的电抽取:(也形成少子扩散区),Semiconductor Physics,2023/7/12,31,Semiconductor Physics,2023/7/12,32,Semiconductor Physics,2023/7/12,33,电流:仍有 J=J+J-=J+(xn)+J-(-xp)正向偏压时，在少子扩散区,少子复合率产生率(非平衡载流子注入);反向时,产生率复合率(少数载流子被抽取)反向时,少子浓度梯度很小反向电流
11、很小准费米能级:在势垒区,Semiconductor Physics,2023/7/12,34,Semiconductor Physics,2023/7/12,35,Semiconductor Physics,2023/7/12,36,Semiconductor Physics,2023/7/12,37,理想p-n结,小注入条件 突变结,耗尽近似可认为外加电压全降落于耗尽层+在扩散区,少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生,复合 通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持不变 玻耳兹曼边界条件,Semiconductor Physics,2023/7/12,38,伏安特性,定性图象 正向偏
12、压下,势垒降低,非平衡少子注入,正向电流随正向电压的增加很快增加.反向偏压下,势垒升高,非平衡少子被抽取,反向电流很小,并可达到饱和.,Semiconductor Physics,2023/7/12,39,Semiconductor Physics,2023/7/12,40,Semiconductor Physics,2023/7/12,41,少子在扩散区中的分布:空穴扩散区 电子扩散区,Semiconductor Physics,2023/7/12,42,少子扩散电流:边界处的少子扩散电流为,Semiconductor Physics,2023/7/12,43,JV特性:,Semicondu
13、ctor Physics,2023/7/12,44,pn junction diode,Semiconductor Physics,2023/7/12,45,对JV特性的说明:单向导电性:反向饱和电流Js 温度的影响:T,Js很快增加 单边突变结:Js的表达式中只有一项起主要作用只需考虑一边的少子扩散 正向导通电压:Eg越大的材料,具有更大的正向导通电压.,Semiconductor Physics,2023/7/12,46,Semiconductor Physics,2023/7/12,47,p-n结击穿,现象:对p-n结施加反向偏压时,当反向偏压增大到某一数值时,反向电流密度突然开始迅速增
14、大.发生击穿时的反向偏压-p-n结的击穿电压.p-n结击穿的基本原因:载流子数目的突然增加.,Semiconductor Physics,2023/7/12,48,击穿机理:雪崩击穿强电场下的碰撞电离,使载流子倍增 隧道击穿大反向偏压下,隧道贯穿使反向电流急剧增加 热电击穿不断上升的结温,使反向饱和电流持续地迅速增大,Semiconductor Physics,2023/7/12,49,3 p-n结电容,(1)电容效应(2)突变结的空间电荷区(3)突变结势垒电容(4)扩散电容,Semiconductor Physics,2023/7/12,50,PN结电容,Semiconductor Phys
15、ics,2023/7/12,51,电容效应,p-n结有存储和释放电荷的能力。势垒电容 CT 当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应.当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少 当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加,Semiconductor Physics,2023/7/12,52,图6-19(c),Semiconductor Physics,2023/7/12,53,扩散电容 CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非
16、平衡载流子数变化不大,扩散电容 可忽略p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化-CT 和CD都是微分电容:C=dQ/dV,Semiconductor Physics,2023/7/12,54,扩散电容 CD,Semiconductor Physics,2023/7/12,55,突变结的空间电荷区,耗尽层近似下的空间电荷:突变结+杂质完全电离+耗尽近似的条件下，势垒区中电离杂质组成空间电荷势垒宽度:d=Xp+Xn势垒区中正负电荷总量相等：|Q|=eNAXp=eNDXn,Semiconductor Physics,2023/7/12,56,势垒区,能带,空间电荷分布,矩形近似,Semicon
17、ductor Physics,2023/7/12,57,电场:泊松方程：E=-(dV/dx)+C在x=0处,内建电场数值达到极大 电势:抛物线分布,Semiconductor Physics,2023/7/12,58,空间电荷,电场,Semiconductor Physics,2023/7/12,59,电势,能带,Semiconductor Physics,2023/7/12,60,Step Junction,Semiconductor Physics,2023/7/12,61,空间电荷区宽度:平衡p-n结 当加外电压V,Semiconductor Physics,2023/7/12,62,单
18、边突变结:势垒区主要在轻掺杂一边 对p+-n结,NB代表ND 对p-n+结,NB代表NA,Semiconductor Physics,2023/7/12,63,P+-n结,Semiconductor Physics,2023/7/12,64,突变结的势垒电容,反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):,Semiconductor Physics,2023/7/12,65,几点说明:p-n结的势垒电容可以等效为一个平行板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离 这里求得的势垒电容,主要适用于反向偏置情况单边突变结的势垒电容:,Semiconductor Physics,2023/7/12,66,扩散电容
19、,扩散电容CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.,Semiconductor Physics,2023/7/12,67,少子在扩散区中的分布:在空穴扩散区 在电子扩散区,Semiconductor Physics,2023/7/12,68,PN结的单位面积微分扩散电容为:扩散电容在大的正向偏压和低频下起重要的作用.,Semiconductor Physics,2023/7/12,69,4 p-n结的隧道效应,(1)p-n结势垒区的隧道贯穿(2)隧道结的I-V特性,Semiconductor Physics,2023/7/12,70,隧道效应 隧道效
20、应能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒.这是一种量子力学效应 隧穿几率与势垒的高度有关,与势垒的厚度有关.隧道二极管利用量子隧穿现象的器件效应,Semiconductor Physics,2023/7/12,71,p-n结势垒区的隧道贯穿,隧道结 p-n结,两边都是重掺杂(简并情况),以至在p区,EF进入价带;在n区,EF进入导带.结果:n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上发生交叠 势垒十分薄电子可以隧道贯穿势垒区.,Semiconductor Physics,2023/7/12,72,图6-29,Semiconductor Physics,2023/7/12,73,隧道结的I-V特性正向
21、电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升,达到一个极大,(峰值电流Ip,峰值电压Vp)随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv)在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升,Semiconductor Physics,2023/7/12,74,图6-27,Semiconductor Physics,2023/7/12,75,0点平衡pn结 1点正向电流迅速上升 2点电流达到峰值,Semiconductor Physics,2023/7/12,76,3点隧道电流减少,出现负阻 4点-隧道电流等于0 5点反向电流随反向电压的增加而迅
22、速增加,Semiconductor Physics,2023/7/12,77,5 p-n结的光生伏特效应,(1)p-n结的光生伏特效应(2)光电池的伏安特性,Semiconductor Physics,2023/7/12,78,p-n结的光生伏特效应适当波长的光,照射到非均匀半导体上,由于内建场的作用,半导体内部可以产生电动势(光生电压)-光生伏特效应是内建场引起的光电效应.光生载流子在势垒区内的内建场的作用下,各自向相反方向运动,使p-n结两端产生光生电动势(p端电势升高,n端电势降低).,Semiconductor Physics,2023/7/12,79,Semiconductor Ph
23、ysics,2023/7/12,80,Semiconductor Physics,2023/7/12,81,伏安特性光电池工作时,电流可分成三股:光照产生的载流子越过势垒形成光生电流 IL 光生电压作用下的pn结正向电流 IF 流经外电路的负载电流 I 光生电压 V,Semiconductor Physics,2023/7/12,82,伏安特性:开路电压Voc:I=0,短路电流ISC:V=0,IF=0,I=ISC=IL输出功率:P=IV,Semiconductor Physics,2023/7/12,83,Semiconductor Physics,2023/7/12,84,Semicondu
24、ctor Physics,2023/7/12,85,PN结作为光电器件的其他一些应用,光电二极管（光伏型光电探测器）发光二极管（pn结注入发光）激光二极管（pn结正向注入）,Semiconductor Physics,2023/7/12,86,光电二极管（光伏型光电探测器）与光电池一样，都是利用了p-n结的光生伏特效应.通常,工作时加反向偏压-将光信号转变成电信号.,Semiconductor Physics,2023/7/12,87,Semiconductor Physics,2023/7/12,88,发光二极管（pn结电致发光）pn结加正向偏压，使系统处于非平衡态-注入非平衡载流子，这些非
25、平衡载流子因复合而产生光辐射.,Semiconductor Physics,2023/7/12,89,发光二极管(LED)是一种p-n结，它能在紫外光、可见光或红外光区域辐射自发辐射光。可见光LED被大量用于各种电子仪器设备与使用者之间的信息传送。而红外光IED则应用于光隔离及光纤通讯方面。,由于人眼只对光子能量h等于或大于1.8eV(0.7m)的光线感光，因此所选择的半导体，其禁带宽度必须大于此极限值。右图标示了几种半导体的禁带宽度值。,可见光发光二极管：,发光二极管,Semiconductor Physics,2023/7/12,90,图10-29,Semiconductor Physic
26、s,2023/7/12,91,下表列出了用来在可见光与红外光谱区产生光源的半导体。,在所列出的半导体材料中，对于可见光LED而言，最重要的是GaAs1-yPy与GaxIn1-xN合金的-V族化合物系统。,发光二极管,Semiconductor Physics,2023/7/12,92,图(b)则是以磷化镓为衬底制造的发橙、黄或绿光的间接禁带幂LED,用外延方法生长的缓变型GaAs1-yPy合金层用来使界面间因晶格不匹配所导致的非辐射性中心减至最小。,下图是平面二极管架构的可见光LED的基本结构图。其中图(a)的截面图是以砷化镓为衬底制造的发红光的直接禁带LED。,发光二极管,Semicondu
27、ctor Physics,2023/7/12,93,目前最有希望的材料是氮化镓(Eg=3.44eV)和相关的-V族氮化物半导体，如AlGaInN，其直接禁带范围由1.95eV至6.2eV。,高亮度的蓝光LED(0.455ym-0.492Pm)，已经被研究的材料有：-族化合物的硒化锌(ZnSe)，-族氮化物半导体的氮化镓(GaN)、-IV族化合物的碳化硅(SiC)然而，-的寿命太短，以致至今还不能商品化；碳化硅也因其为间接禁带，致使其发出的蓝光亮度太低，也不具吸引力。,发光二极管,Semiconductor Physics,2023/7/12,94,虽然没有晶格相匹配的衬底可供GaN生长，但是低
28、温生长的AlN做缓冲层，即可在蓝宝石(Al2O3)上生长高品质的GaN。右图即为生长在蓝宝石衬底上的-族氮化物LED。,因为蓝宝石衬底是绝缘体，所以p型与n型的欧姆接触都必须形成在上表面。蓝光产生于GaxIn1-xN区域的辐射性复合作用，而GaxIn1-xN如三明治般被夹于两个较大禁带宽度的半导体之间：一个是p型的AlxGa1-xN层，一个是n型的GaN层。,发光二极管,Semiconductor Physics,2023/7/12,95,激光二极管（pn结正向注入）两边都为重掺杂的pn结.在正向偏压下,在结面附近,可实现(Efn-Efp)Eg,使这区域成为分布反转区-利用pn结正向注入实现粒子数的分布反转.,Semiconductor Physics,2023/7/12,96,VDEg,eVEg,分布反转区,Semiconductor Physics,2023/7/12,97,本章-书上第六章的删略:,6.2 p-n结电流电压特性 3.影响p-n结电流电压特性的各种因素6.3 p-n结电容 3.线性缓变结的势垒电容本章-加入书上第十章部分内容:10.4 半导体的光生伏特效应,
