1、11.2.5半導體的結半導體的結 2 P 區區 NAN 區區 ND半導體的結半導體的結-PN 結結PN PN 結是構成各種半導體器件的基本單元。結是構成各種半導體器件的基本單元。PNPN結中的載流子既有結中的載流子既有漂移運動漂移運動，又有，又有擴散運動擴散運動； 既有既有產生產生，又有，又有復合復合，這些性質集中反映在半導，這些性質集中反映在半導體體 的導電特性中。的導電特性中。3PN結1 1、PN PN 結的形成結的形成 在在同一塊同一塊N型（或型（或P型）半導體單晶上，用特定型）半導體單晶上，用特定的工藝方法把的工藝方法把P型（或型（或N型）雜質摻入其中，使這塊型）雜質摻入其中，使這塊單

2、晶相連的二個不同區域分別具有單晶相連的二個不同區域分別具有N型區和型區和P型區的型區的導電類型，在二者導電類型，在二者交界面交界面以及交界面兩側的以及交界面兩側的過渡區過渡區即稱為即稱為PN結。結。 4PN PN 結類型結類型 按材料分為按材料分為同質結，同質結，和和異質結異質結 按導電類型分為按導電類型分為同型結同型結和和異型結異型結 按雜質的分布分為按雜質的分布分為突變結突變結和和線性緩變結線性緩變結 5工藝方法工藝方法合金法合金法擴散法擴散法生長法生長法離子注入法離子注入法光刻工藝光刻工藝(硅平面工藝）硅平面工藝）2 、 PN結的形成過程結的形成過程6合金法制造合金法制造PN結過程結過程

3、熔融熔融P-SiAlN-Si 在一塊在一塊N型硅片上放置一型硅片上放置一鋁箔鋁箔，鋁箔上加一，鋁箔上加一石墨壓塊石墨壓塊，并置于并置于600以上的以上的燒結爐燒結爐中恒溫處理中恒溫處理5分鐘，然后緩慢降溫分鐘，然后緩慢降溫經這樣的處理后的硅片的上表面就形成可很薄的一層經這樣的處理后的硅片的上表面就形成可很薄的一層P型再結型再結晶層，晶層，PN結形成了。結形成了。 突變結突變結P P區與區與N N區的交界面處的雜質濃度分布是突變的，區的交界面處的雜質濃度分布是突變的，此法稱為合金結，又稱突變結。此法稱為合金結，又稱突變結。7P區區N區區x雜質濃度雜質濃度xjNANDP區與區與N區的雜質濃度都是分

4、布均勻的區的雜質濃度都是分布均勻的N型區施主雜質濃度為型區施主雜質濃度為NDP型區受主雜質濃度為型區受主雜質濃度為NA在交界面處在交界面處x = 0，雜質濃度由，雜質濃度由P型突變為型突變為N型型突變結突變結8單邊突變結：單邊突變結：當一側的濃度遠大于另一側時當一側的濃度遠大于另一側時lN P結結： ND NA N0 NAlP N結結： NA ND N0 ND突變結突變結ADNNDNANx09P-SiN-Si擴散法制造擴散法制造PNPN結過程結過程緩變結緩變結NPx雜質濃度xjND -NA 在一塊在一塊N型硅片型硅片上用化學方法涂敷一層含有上用化學方法涂敷一層含有Al2O3的乙醇的乙醇溶液溶液

5、，在紅外線燈下干燥后，置于，在紅外線燈下干燥后，置于1250的的擴散爐擴散爐中進行高中進行高溫處理若干小時，然后緩慢降溫。溫處理若干小時，然后緩慢降溫。PN結兩邊的雜質濃度是非均勻的結兩邊的雜質濃度是非均勻的常按照一定的函數規律而變化。常按照一定的函數規律而變化。DAjjNNa x x10 實際實際PNPN結近似結近似緩變緩變PNPN結附近雜質濃結附近雜質濃度有兩種近似處理方度有兩種近似處理方法法A A、線性緩變結近似、線性緩變結近似B B、突變結近似、突變結近似NPx雜質濃度xjND -NA112.1.1 PN2.1.1 PN結空間電荷區結空間電荷區2.1.2 2.1.2 電場分布于電勢分布

6、電場分布于電勢分布2.1 熱平衡熱平衡PN 結結12平衡平衡PNPN結：結：指半導體在零偏壓條件下的指半導體在零偏壓條件下的PNPN結。結。 PN PN 結內溫度均勻、穩定，不存在外加結內溫度均勻、穩定，不存在外加 電壓、光照、磁場、輻射等外作用平衡電壓、光照、磁場、輻射等外作用平衡 狀態。狀態。2.1.1 PN結空間電荷區結空間電荷區13平衡平衡PNPN結能帶圖結能帶圖 平衡平衡PNPN結有統一的費密能級結有統一的費密能級E EF F14空間電荷：空間電荷：帶正電的電離施主和帶負電荷的電離帶正電的電離施主和帶負電荷的電離 受主都是固定在晶格點上不可移動，受主都是固定在晶格點上不可移動， 稱之

7、為空間電荷。稱之為空間電荷。空間電荷區：空間電荷區：空間電荷所在的區域。空間電荷所在的區域。 空間電荷區的形成空間電荷區的形成空間電荷不能移動，也不能傳導電流。空間電荷不能移動，也不能傳導電流。15內建電場內建電場E內內：空間電荷所產生的電場，空間電荷所產生的電場，此電場不是由外部因素引起的，而是由此電場不是由外部因素引起的，而是由PNPN結內部結內部 載流子運動形成的，由載流子運動形成的，由N N區指向區指向P P區。區。PN結的內建電勢結的內建電勢(接觸電勢接觸電勢)由內建電場所導致的由內建電場所導致的N N區和區和P P區的電位差。區的電位差。一、空間電荷區的形成一、空間電荷區的形成01

8、6l : 接觸電勢差接觸電勢差 （內建電勢）（內建電勢）l空間電荷區空間電荷區又稱又稱l勢壘區勢壘區l耗盡層耗盡層平衡平衡PNPN結能帶圖結能帶圖2.1.1 平衡平衡PN結能帶圖結能帶圖0P PN N空間電荷區空間電荷區內建電場內建電場P PN Nxpxn位位電電q電子的電勢能電子的電勢能帶帶能能qVDECEVEFEi帶帶能能ECEVEFNEiEFP00171 1、中性區：遠離空間電荷區、中性區：遠離空間電荷區P P型和型和N N型區型區多子濃度等于電離雜質多子濃度等于電離雜質濃度，因而保持電中性。這時這部分區域稱為濃度，因而保持電中性。這時這部分區域稱為 “ “中性區中性區”。2 2、邊界層

9、：邊界層：既存在失去電子的空穴的雜質電離中心，又存在一既存在失去電子的空穴的雜質電離中心，又存在一些自由載流子，電荷分布很復雜，可以推得邊界層的寬度遠小于些自由載流子，電荷分布很復雜，可以推得邊界層的寬度遠小于空間電荷區的寬度，通常空間電荷區的寬度，通?？梢院雎钥梢院雎? 3、耗盡區：耗盡區：在空間電荷區，雜質電離中心濃度較大，遠大于自在空間電荷區，雜質電離中心濃度較大，遠大于自由載流子濃度，相當于載流子濃度被耗盡，所以該區域稱為耗盡由載流子濃度，相當于載流子濃度被耗盡，所以該區域稱為耗盡區或者耗盡層。區或者耗盡層。PNPN結分為三部分：結分為三部分：2.1.22.1.2電場分布與電勢分布電場

10、分布與電勢分布18一個平衡一個平衡PNPN結中，空間電荷區以外的區域都是電中性的。結中，空間電荷區以外的區域都是電中性的。P區一側的中性區稱為區一側的中性區稱為P型中性區；型中性區；N區一側的中性區稱為區一側的中性區稱為N型中性區。型中性區。NP空間電荷區XM1902lnADiN NkTqnNA：P區受主摻雜濃度區受主摻雜濃度 ND：N區施主摻雜濃度區施主摻雜濃度ni ：本征載流子濃度：本征載流子濃度 0.026 300kTVTKq擴散電勢差擴散電勢差PNPN結的勢壘高度與兩邊的摻雜濃度有關。結的勢壘高度與兩邊的摻雜濃度有關。摻雜濃度越高，勢壘高度越大。摻雜濃度越高，勢壘高度越大。從能帶圖可以

11、看出：從能帶圖可以看出：N區摻雜濃度越高，區摻雜濃度越高，N型區費米能級型區費米能級(EF)n越靠近導帶底越靠近導帶底P區摻雜濃度越高，區摻雜濃度越高，P型區費米能級型區費米能級(EF)p越靠近價帶頂越靠近價帶頂PN結勢壘高度結勢壘高度qVD也越大。也越大。0202 2、耗盡區、耗盡區 ：假設空間電荷區內的載流子完全擴散掉，即完全耗盡，空間電荷完全由電離雜質提供。這時空間電荷區又可稱為。P PN N空間電荷區空間電荷區內建電場內建電場P PN Nxpxn位位電電q電子的電勢能電子的電勢能帶帶能能qVDECEVEFEi帶帶能能ECEVEFNEiEFP0021 設設P P型和型和N N型側的耗盡層

12、寬度分別為型側的耗盡層寬度分別為x xp p和和x xn n, ,整個空間電荷層寬度表示為整個空間電荷層寬度表示為W=x W=x n n +x +x p p 耗盡層寬度與擴散電勢差有關，具體的計耗盡層寬度與擴散電勢差有關，具體的計算分情況討論（了解）算分情況討論（了解） 空間電荷區的自建電場強度是非均勻電場，空間電荷區的自建電場強度是非均勻電場，電場強度是電場強度是x x的函數的函數對于P+N突變結222.2 2.2 加偏壓的加偏壓的PNPN結結2.2.1 PN結的單向導電性結的單向導電性2.2.2 少數載流子的注入與輸運少數載流子的注入與輸運23非平衡非平衡PN結結l處于一定偏置狀態下的處于

13、一定偏置狀態下的PN結稱為結稱為非平衡非平衡PN結結l當當PN結兩端加正向偏結兩端加正向偏壓壓VF，即，即P區接電源的區接電源的正極，正極，N區接電源的負區接電源的負極，稱為極，稱為正向正向PN結結。PN 正向正向PNPN結結PN 反向反向PNPN結結反之，當反之，當PN結兩端加反結兩端加反向偏壓向偏壓VR則稱則稱反向反向PN結結。2.2.1 PN2.2.1 PN結的單向導電性結的單向導電性24正向電壓正向電壓VF 外加電場與內建電場方向相反外加電場與內建電場方向相反 空間電荷區中的電場減弱空間電荷區中的電場減弱 勢壘區寬度變窄勢壘區寬度變窄 勢壘高度變低勢壘高度變低 qVD q(VDVF) 破壞擴散與漂移運動間的平衡破壞擴散與漂移運動間的平衡 擴散運動擴散運動 強于強于 漂移運動漂移運動 形成形成較大的電流較大的電流， 正向偏壓給正向偏壓給PN結形成了結形成了低阻的低阻的電流通路電流通路0025 PN結的反向特性結的反向特性反向反向PN結結 P P區接負，區接負，N N區接正區接正外加電場與內建電場方向相同外加電場與內建電場方向相同空間電荷區中的電場增強空間電荷區中的電場增強 反向電壓使：反向電壓使： 勢壘區寬度變寬勢壘區寬度變寬 勢壘高度變高勢壘高度變高qVqVDDq(Vq(VDD+V+VR R) )