尼曼-半导体物理与器件第七章ppt课件.ppt

高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结0高等半导体物理高等半导体物理与器件与器件第七章第七章 pn结结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结1固体物理固体物理量子力学量子力学平衡半导体平衡半导体载流子输运载流子输运非平衡半导体非平衡半导体双极晶双极晶体管体管pn结二极管结二极管肖特基二极管肖特基二极管欧姆接触欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT从物理到器件从物理到器件MOS结结双端双端MOS结构结构统计物理统计物理能带理论能带理论高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结2概概 述述前情提要前情提要热平衡状态下的电子与空穴浓度，确定费米能级位置热平衡状态下的电子与空穴浓度，确定费米能级位置存在过剩电子与空穴的非平衡状态存在过剩电子与空穴的非平衡状态本章内容本章内容pn结的静电特性结的静电特性后续通用性后续通用性建立一些基本术语和概念建立一些基本术语和概念分析分析pn结的基本技巧也适用于其他半导体器件结的基本技巧也适用于其他半导体器件高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结3主要内容主要内容pn结的基本结构及重要概念结的基本结构及重要概念pn结零偏下的能带图结零偏下的能带图pn结空间电荷区的形成，内建电势差和空结空间电荷区的形成，内建电势差和空间电荷区的内建电场间电荷区的内建电场反偏反偏pn结空间电荷区变化结空间电荷区变化势垒电容势垒电容突变结突变结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结4pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。

结是大多数半导体器件都会涉及到的结构重点概念：重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等分析分析pn结模型的基础：结模型的基础：载流子浓度、费米能级、载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结5同一半导体同一半导体内部，一边是内部，一边是p型，一边是型，一边是n型，在型，在p型区和型区和n型区型区交界面（冶金结）附近交界面（冶金结）附近形成形成pn结不简单等价于一块不简单等价于一块p型半导体和型半导体和n型半导体的型半导体的串联串联pn结具有特殊的性质：结具有特殊的性质：单向导电性单向导电性，是许多重要半导体，是许多重要半导体器件的核心器件的核心突变结突变结：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，：每个掺杂区的杂质浓度均匀分布，在交界面处，杂质的浓度有一个杂质的浓度有一个突然的跃变突然的跃变。

7.1 pn结的基本结构结的基本结构冶金结冶金结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结6pn结的空间电荷区和内建电场结的空间电荷区和内建电场浓浓度度差差多多子子扩扩散散杂质离杂质离子形成子形成空间电空间电荷区荷区内建电场内建电场阻止多子的进一阻止多子的进一步扩散步扩散促进少子的漂移促进少子的漂移动态平衡动态平衡（零偏）（零偏）耗尽区耗尽区空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结7pn结两侧电子空穴结两侧电子空穴浓度梯度浓度梯度，电子空穴分别由，电子空穴分别由n型区、型区、p型区向型区向对方区域对方区域扩散扩散，同时，同时n型区留下型区留下固定的固定的带带正正电电施主离子施主离子，p型区型区留下固定的带留下固定的带负负电电受主离子受主离子。

此固定的正负电荷区为此固定的正负电荷区为空间电荷空间电荷区区，空间电荷区中形成，空间电荷区中形成内建电场内建电场，内建电场引起载流子的，内建电场引起载流子的漂移漂移运动运动，载流子漂移运动与扩散运动方向，载流子漂移运动与扩散运动方向相反相反，最后达到，最后达到平衡平衡空间电荷区载流子空间电荷区载流子基本耗尽基本耗尽，因此空间电荷区称作，因此空间电荷区称作耗尽区耗尽区pn结结指指p型和型和n型半导体形成的界面，该界面包括型半导体形成的界面，该界面包括整个空间电荷整个空间电荷区在内的区域区在内的区域而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性而空间电荷区之外的部分与独立的掺杂半导体性质相同，不属于质相同，不属于pn结区域基本耗尽基本耗尽：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）：载流子浓度和杂质浓度差别巨大（数量级的差别）热平衡热平衡pn结的任何区域（包括空间电荷区）结的任何区域（包括空间电荷区）n0p0=ni2成立成立高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结87.2 零偏零偏平衡态的平衡态的pn结空间电荷区中存在一个结空间电荷区中存在一个内建电场内建电场，该电场在，该电场在空间电荷区的积分就形成一个空间电荷区的积分就形成一个内建电势差内建电势差，从能带图角度，从能带图角度看在看在n型和型和p型区间建立一个型区间建立一个内建势垒内建势垒，该内建势垒高度：，该内建势垒高度：内建电势差维持内建电势差维持n区多子电子区多子电子与与p区少子电子间以及区少子电子间以及p区多区多子空穴与子空穴与n区少子空穴间的平区少子空穴间的平衡（扩散与漂移的平衡）。

衡（扩散与漂移的平衡）由于空间电荷区是电子的势由于空间电荷区是电子的势垒，因而垒，因而空间电荷区（耗尽空间电荷区（耗尽区）区）又称作又称作势垒区势垒区高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结9平衡状态平衡状态pn结：结：参照前边图中参照前边图中 Fn、 Fp的定义：的定义：则内建电势差为则内建电势差为：注意：注意：Nd、Na分别表分别表示示n区和区和p区内的区内的有效有效施主施主掺杂浓度和掺杂浓度和有效有效受主受主掺杂浓度掺杂浓度接触电势差的大小直接接触电势差的大小直接和和杂质浓度杂质浓度、本征载流本征载流子浓度子浓度、以及、以及热电压热电压（温度及分布）相关温度及分布）相关1）内建电势差）内建电势差高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结10（2）电场强度）电场强度pn+-E-xp+xn+eNd-eNa内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度和电荷密度关系由场强度和电荷密度关系由泊松方程泊松方程确定：确定：其中，其中， 为电势，为电势，E为电场强度，为电场强度，为电荷密度，为电荷密度，s为介电常数。

为介电常数从图可知，电荷密度从图可知，电荷密度(x)为：为：突变结突变结(C/cm3)高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结11p侧空间电荷区内电场可以积分求得：侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件边界条件：x=-xp时，时，E=0相应，相应，n侧空空间电荷区电场：侧空空间电荷区电场：边界条件边界条件：x=xn时，时，E=0高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结12p侧电场和侧电场和n侧电场在界面处（侧电场在界面处（x=0）连续，即：）连续，即：-xp+xn+eNd-eNa-xp+xn0E因而两侧空间电荷区的宽度因而两侧空间电荷区的宽度xp和和xn有关系：有关系：空间电荷区整空间电荷区整体保持电中性体保持电中性空间电荷区空间电荷区主要向低掺主要向低掺杂一侧延伸杂一侧延伸(C/cm3)pn高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结13根据电场强度和电势的关系，将根据电场强度和电势的关系，将p区区内电场积分可得电势：内电场积分可得电势：确定具体的电势值需要选择参考点，假设确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处电势为处电势为0，则，则可确定可确定C1和和p区内的电势值为：区内的电势值为：同样的，对同样的，对n区区内的电场表达式积分，可求出：内的电场表达式积分，可求出：高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第七章 pn结14-xpxn0Epn =0 =Vbi电子电势能（电子电势能（-e ）和距离是）和距离是二次函数关系，即抛物线关系二次函数关系，即抛物线关系显然，显然，x=xn时，时， =。