第4章p-n结2011
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1、20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平14.1 pn结的形成及其平衡态4.2 pn结的伏安特性4.3 pn结电容4.4 pn结击穿4.5 pn结的光伏效应4.6 pn结发光第四章 p-n结20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平24.1 pn结的形成及其平衡态4.1.1 pn结的形成及其杂质分布一、 pn结的形成及其杂质分布二、pn结的杂质分布4.1.2 热平衡状态下的pn结一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成二、平衡pn结的能带结构三、pn结的接触电
2、势差四、平衡pn结的载流子分布20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平34.1.1 pn结的形成及其杂质分布1、合金法（、合金法（Alloying technology）AlSi alloy on n-Si for p+nAuSb alloy on p-Si for pn+合金结的特点是合金掺杂层的杂合金结的特点是合金掺杂层的杂质浓度高，而且分布均匀质浓度高，而且分布均匀合金结的深度对合金过程的温度合金结的深度对合金过程的温度和时间十分敏感，较难控制和时间十分敏感，较难控制理想突变结的杂质分布 20222022年年5 5月月
3、3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平42）扩散法）扩散法（Diffusion technology）（恒定表面杂质浓度和恒定杂质总量两种方法）（恒定表面杂质浓度和恒定杂质总量两种方法）扩散法需要在较高温度下操作，而且形成的是渐变式的杂质分布扩散法需要在较高温度下操作，而且形成的是渐变式的杂质分布 20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平53、离子注入法（Ion-implantation technology）离子注入法采用气相杂质源，在高强度的电磁场中令其离化并静电加速至较高能量后
4、注入到半导体适当区域的适当深度，通过补偿其中的异型杂质形成pn结。与扩散法相比，这种方法的最大特点是掺杂区域和浓度能够精确控制，而且杂质分布接近于图4-1所示的突变结。用离子注入法形成pn结不需要扩散法那样高的温度，因高能离子注入而受到损伤的晶格也只须在适当高的温度下退火即可修复，因此不会引起注入区周边杂质的扩散，是集成电路工艺普遍采用的掺杂方法。20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平64）外延法和直接键合法）外延法和直接键合法在n型或p型半导体衬底上直接生长一层导电类型相反的半导体薄层，无须通过杂质补偿即可直接形成pn结
5、。用这种方法形成pn结时，只需在生长源中加入与衬底杂质导电类型相反的杂质，在薄层生长的同时实现实时的原位掺杂。这种方法形成的杂质分布更接近于理想突变结分布。 将n型和p型半导体片经过精细加工和活化处理的两个清洁表面在室温下扣接在一起，然后在高真空和适当的温度与压力下，令原本属于两个表面的原子直接成键而将两块晶片结合成一个整体，同时形成pn 结。直接键合法能形成最接近理想状态的突变结。 20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平7二、pn结的杂质分布1）突变结：用合金法、离子注入法、外延法和直接）突变结：用合金法、离子注入法、外
6、延法和直接键合法制备的键合法制备的pn结，高表面浓度的浅扩散结可近似结，高表面浓度的浅扩散结可近似为突变结。直接键合法制备的突变结是最理想的突变为突变结。直接键合法制备的突变结是最理想的突变结。结。2）线性缓变结：低表面浓度的深扩散结近似为线性）线性缓变结：低表面浓度的深扩散结近似为线性缓变结缓变结理想线性缓变结的杂质分布 理想突变结的杂质分布 单边突变结单边突变结p+n 或pn+20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平84.1 pn结的形成及其平衡态4.1.1 pn结的形成及其杂质分布一、 二、pn结的杂质分布4.1.2
7、热平衡状态下的pn结一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成二、平衡pn结的能带结构三、pn结的接触电势差四、平衡pn结的载流子分布20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平9一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。 p-n结n型p型N 区的电子向区的电子向 P区扩散；区扩散；P 区的空穴向区的空穴向N区扩散。区扩散。在在P型半导体和型半导体和 型半导型半导体的交界面附近产生了一体的交界面附近产生了一个电场个电场, ,称为内建场。称为内建
8、场。20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平10空间电荷区空间电荷区-耗尽层耗尽层的形成的形成空间电荷区宽度空间电荷区宽度XD空间电荷区空间电荷区-耗尽层因为缺少可移动载流子耗尽层因为缺少可移动载流子,空间电荷区为高阻区空间电荷区为高阻区20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平11二、平衡pn结的能带结构1、能带弯曲 2、热平衡pn结的费米能级 导带导带导带导带价带价带价带价带EFEFECECEVEVn 型半导体型半导体空间电荷区空间电荷区p 型半导体型半
9、导体20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平12电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，以及空穴从p区流向n区来实现的。在载流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至EFnEFpEF时达到平衡。 热平衡状态下的p型和n型半导体以及pn结的能带图1、能带弯曲20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平132、热平衡pn结的费米能级 在浓度差引起的扩散与扩散产生的自建电场的共同作用下在浓度差引起的扩散与扩散产生的自建电场的共同作用下)exp(0kTEENn
10、FCC)(00dxdEdxdEkTndxdnFC得得电子电流电子电流其中其中dxdEnFn0因为热平衡时因为热平衡时 Jn0，所以结果表明热平衡时，所以结果表明热平衡时dxdnqDqnJnnn00E)(00dxdEdxdEnqnJFCnnnEEqdxxdVqdxdEC)(0dxdEFdxdEpJFpp0电子电流电子电流20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平14三、pn结的接触电势差平衡pn结空间电荷区两端的电势差VD称为pn结的接触电势差或自建电势差，相应的电子势能之差，即能带的弯曲量qVD，称为pn结的势垒高度。 FpF
11、nDEEqV)exp(0kTEENnCFnCn)exp(0kTEENnCFpCpnn0、np0分别表示n区和p 区的平衡电子密度，对非简并半导体 )(1ln00FpFnpnEEkTnn两式相除取对数得两式相除取对数得因为因为nn0ND，np0ni2/ NA：2ln)(1iADFpFnDnNNqkTEEqV若若NA1017cm-3，ND1015cm-3，在室温下可以算得，在室温下可以算得pn结接触电势差结接触电势差VD对硅为对硅为0.7 V，对锗为，对锗为0.32 V，对砷化镓为，对砷化镓为1 V。 20222022年年5 5月月3030日星期一日星期一西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电
