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,*,中北大学电子科学与技术系,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,第七章 PN 结,本章学习关键点：1.了解PN结结构及空间电荷区概念；2.掌握零偏状态下PN结特征，包含内建电势、内 建电场以及空间电荷区宽度等；3.掌握反偏状态下PN结空间电荷区宽度、内建电 场以及PN结电容特征；4.了解非均匀掺杂PN结特征；,第1页,7.1 PN结基本结构,1.PN结基本结构,PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所组成，其接触界面称为冶金结界面。,第2页,2.制造PN结方法：,（1）外延方法：突变PN结；（2）扩散方法：缓变PN结；（3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；为简单起见，首先讨论突变结。,第3页,理想突变结：,P型区和N型区分别均匀掺杂,P型区掺杂浓度为,N,a,N型区掺杂浓度为,N,d,冶金结是面积足够大平面,理想突变结杂质浓度曲线,第4页,3.PN结空间电荷区形成,两种材料接触形成PN结时，冶金结两侧将出现载流子密度差，形成可动载流子扩散流：,*电子离开N型区向P型区扩散，在N型区留下带正电荷施主离子。*空穴离开P型区向N型区扩散，在P型区留下带负电荷受主离子。,第5页,离化杂质中心固定不动，出现净正、负电荷，该区域即为,空间电荷区,。,空间电荷区:半导体带电区域。,空间电荷区也称为,势垒区；,过渡区；,耗尽区；,空间电荷区将形成内建电场。,内建电场引发载流子漂移运动，漂移运动与扩散运动方向相反，最终到达平衡状态。,第6页,空间电荷区及内建电场形成过程示意图,到达热平衡状态时，扩散流等于漂移流,第7页,平衡PN结特点：,势垒区内电子（空穴）扩散和漂移抵消。,整个pn结含有统一费米能级。,能带弯曲势垒高度。,第8页,到达平衡状态PN结能带图含有统一费米能级,第9页,7.2 零偏状态下PN结,零偏状态:V,外,=0,1.内建电势差,由PN结空间电荷区形成过程可知，在到达平衡状态时，PN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空间电荷区中,积分,就形成了一个,内建电势差,。从能量角度来看，在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子深入向P型区扩散，该内建势垒高度即为内建电势差，用,V,bi,表示。,第10页,第11页,第12页,第13页,第14页,内建势垒高度：,影响势垒高度原因：,掺杂浓度；,温度；,第15页,2、电场强度,耗尽区电场产生是因为正负电荷相互分离。右图所表示为突变结体电荷密度分布。,第16页,第17页,结论：,1）E0；,2）电场强度为直线分布,3）电场强度最大值在x=0处；,第18页,第19页,结论：,1）E0；,2）电场强度为直线分布,3）电场强度最大值在x=0处；,第20页,第21页,最大电场强度,由PN结界面处电场连续可得：,结论：,在PN结界面两侧，N型区中单位面积正电荷与P型区中点位面积负电荷相等。,在PN结界面处电场到达最大，最大电场为：,第22页,内建电势：,将内建电场对空间电荷区进行积分，即可求得空间电荷区中电势分布。在P型区一侧有：,第23页,设置电势零点为：,由此可得：,P型区中一侧空间电荷区中电势分布为：,第24页,第25页,第26页,PN结空间电荷中电势分布：,第27页,电子电势能可表示为：,可见，电子电势能与电势 改变类似。,第28页,w,第29页,3 空间电荷区宽度,将,带入PN结内建势垒公式：,第30页,第31页,第32页,影响空间电荷区宽度原因：,掺杂浓度：主要取决于低掺杂区浓度；,温度；,第33页,7.3 反偏状态下PN结,当在PN结两边外加一个电压时，此时整个PN结就不再处于热平衡状态，所以整个PN结系统中也就不再含有统一费米能级。反向偏置:PN结N型区相对于P型区外加一个正电压V,R,。,第34页,外加反偏电压V,R,时PN结能带图,第35页,外加电场存在将会使得能带图中N型区费米能级往下拉，下拉幅度等于外加电压引发电子势能改变量。,此时，PN结上总势垒高度增大为：,第36页,1.空间电荷区宽度与PN结中电场,当PN结两侧外加反向偏压V,R,时，PN结内部空间电荷区中电场增强，所以PN结界面两侧空间电荷区宽度将会深入展宽。,第37页,利用前面推导出,空间电荷区宽度,公式，只需将公式中PN结内建势垒代换为反偏PN结上总势垒高度，即：,结论：,PN结中总空间电荷区宽度伴随外加反向偏置电压V,R,增大而不停增大。,第38页,一样，空间电荷区在PN结两侧扩展宽度也能够分,别求得，其中在N型区一侧扩展宽度为：,第39页,第40页,第41页,当PN结外加反向偏压改变时，PN结中耗尽区宽度发生改变，所以PN结两侧耗尽区中电荷也会随之而发生改变，这种充放电作用就是PN结,电容效应,。,2.PN结势垒电容,第42页,第43页,依据电容定义，单位面积PN结电容为：,第44页,上式为PN结势垒电容，也称为耗尽层电容。,第45页,将耗尽区宽度,此式与单位面积,平行板电容,公式完全相同。,注意:,PN结电容中耗尽区宽度伴随反偏电压改变而不停改变，所以电容也是伴随反向偏置电压改变而不停改变。,带入上式得：,第46页,小结：,PN结反偏时形成突变结势垒电容等效为平行板电容器电容。,影响势垒电容大小原因：,掺杂浓度：,掺杂浓度增加，势垒电容增加；,单边突变结，决定于低掺杂区浓度。,偏置电压：,反偏电压变大，势垒电容减小。,第47页,3.单边突变PN结假如PN结两侧掺杂浓度相差很大，通常称之为,单边突变PN结,。假如P型区掺杂浓度远远大于N型区掺杂浓度，即N,a,N,d,，称之为P,N。,第48页,第49页,第50页,可见，PN结电容倒数平方与反偏电压V,R,成线性关系。,第51页,结论：,利用此线性关系，可外推求出PN结内建电势差。,能够经过直线斜率求出PN结低掺杂一侧掺杂浓度。,第52页,7.4 非均匀掺杂PN结,至此，所讨论PN结两侧都是均匀掺杂半导体材料，不过实际情况并非完全如此，另外在一些特殊应用场所，也需要一些尤其设计非均匀掺杂PN结。,1.线性缓变PN结,经过扩散方法制造PN结，杂质浓度分布近似为线性分布，这种PN结称为线形缓变PN结。N型掺杂浓度与P型掺杂浓度相等之处，即为PN结界面位置，也就是冶金结位置。,第53页,P区为非均匀掺杂PN结杂质浓度分布:,第54页,理想线形缓变结：,杂质分布：N（x)=Nd-Na=ax,第55页,第56页,第57页,结论：,在线性缓变PN结空间电荷区中，电场强度是距离二次函数关系，而不再是均匀掺杂PN结空间电荷区中电场强度随空间位置线性改变关系。最大电场强度依然位于冶金结界面处，空间电荷区之外电场强度也依然为零。,第58页,电场强度与距离关系,第59页,第60页,第61页,第62页,第63页,2.超陡峭PN结 对于单边突变P,N结，考虑更普通情况，即当x0时，N型区掺杂浓度可表示为：N=Bx,m,当m=0时，即为均匀掺杂情形；当m=1时，即为线性缓变PN结情形；当m为负值时，即为所谓超陡峭掺杂PN结。采取类似分析方法，能够求得超陡峭掺杂PN结单位面积耗尽区电容为：,第64页,第65页,第66页,PN结小结,1、PN结P型区和N型区为同一块半导体单晶材料；2、空间电荷区：PN结中带电区域，空间电荷区中大多数载流子已经耗尽，所以空间电荷区也称为,耗尽区,。耗尽区之外，中性区。3、内建电场：内建电场位于空间电荷区，最大值在x=0处，耗尽区之外，,内建电场为零。,内建电场同时也会引发内建电势差，使得能带发生弯曲。,第67页,4、零偏时，PN结中没有净电流，所以整个PN结中各处费米能级保持恒定。,第68页,5、反偏PN结PN结加反向置电压V,R,时，PN结空间电荷区中电场增强，PN结势垒增大，PN结两侧耗尽区深入展宽。反偏PN结展现出电容特征，普通称之为PN结势垒电容。,第69页,突变结,第70页,第71页,本章作业题,7.1,7.16,7.18,7.32,第72页,
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