1、-n結原理1: p-n結的形成和能帶（冶金學基而）b） p型和n型半導體在接觸之, 形成空間電荷區的情況電子.擴散區空包擴散區載流子的轉移:p-n結基本概念是解決許多微電子和光電子器件的物理基礎。對于許多半導體器件問題的理解不夠深透，歸根到底還在于對于p-n結概念的認識尚有模糊之處的緣故。主要（多數）載流子種類不同。因此，當p型半導體和n型半導體緊密結合而成的一個體系一一p-n結時，為了達到熱平衡狀態（即無能量轉移的動態平衡狀態），就會出現載流子的轉移：電子從功因為p-n結的一個重要特點就是其中存在有電場很強的空間電荷區，故p-n結的形成機理，關鍵也就在于空間電荷區的形成問題；p-n結的能帶也

2、就反映了空間電荷區中電場的作用。P型半導體EfEfn型半導體（O熱平衡p-n結的能帶圖p型半導體和n型半導體在此需要考慮的兩個不同點即為（見圖（a）：功函數W不同；（a） p型和n型半導體在接觸前 的分立能帶情況（琳空中自由電子的能立）p型半導體叩晶自型半導缽p型半導體g n型半導體函數小的半導體發射到功函數大的半導體去，或者載流子從濃度大的一邊擴散到濃度小的一邊去。對于同質結而言，載流子的轉移機理主要是濃度梯度所引起的擴散；對于異質結（例如Si-Ge異質 結，金屬-半導體接觸）而言，載流子的轉移機理則主要是功函數不同所引起的熱發射。（2）空間電荷和內建電場的產生現在考慮同質p-n結的形成：在

3、p型半導體與n型半導體的接觸邊緣附近處（即冶金學界面附 近處），當有空穴從p型半導體擴散到n型半導體一邊去了之后，就在n型半導體中增加了正電荷， 同時在p型半導體中減少了正電荷，從而也就在p型半導體中留下了不能移動的電離受主中心一 負離子中心；與此同時，當有電子從n型半導體擴散到p型半導體一邊去了之后，就在p型半導體 中增加了負電荷，同時在n型半導體中減少了負電荷，從而也就在n型半導體中留下了不能移動的 電離施主中心一正離子中心。這就意味著，在p型半導體一邊多出了負電荷（由電離受主中心和 電子所提供），在n型半導體一邊多出了正電荷（由電離施主中心和空穴所提供），這些由電離雜 質中心和載流子所提

4、供的多余電荷即稱為空間電荷，它們都局限于接觸邊緣附近處，以電偶極層的 形式存在，如圖（b）所示。由于在兩種半導體接觸邊緣的附近處存在著正、負空間電荷分列兩邊的偶極層，所以就產生出 一個從n型半導體指向p型半導體的電場，稱為內建電場。在此，內建電場僅局限于空間電荷區范 圍以內，在空間電荷區以外都是不存在電場的電中性區。至于勢壘區中內建電場的分布形式，決定于空間電荷的分布，主要是決定于摻雜濃度的分布。 對于摻雜濃度在p-n結冶金學界面處突然改變者，稱為突變結，其中內建電場在勢壘區兩邊的分布 基本上是線性分布；對于摻雜濃度在p-n結冶金學界面處線性地改變者，稱為線性緩變結，其中內 建電場的分布近似為

5、亞拋物線分布。（3）p-n結的勢壘和能帶因為在p-n結界面附近處存在著內建電場，而該內建電場的方向正好是阻擋著空穴進一步從p 型半導體擴散到n型半導體去，同時也阻擋著電子從n型半導體進一步擴散到p型半導體去。于是 從能量上來看，由于空間電荷-內建電場的出現，就使得電子在p型半導體一邊的能量提高了，同時 空穴在n型半導體一邊的能量也提高了；而在界面附近處產生出了一個阻擋載流子進一步擴散的勢 壘一p-n結勢壘。根據內建電場所引起的這種能量變化關系，即可畫出p-n結的能帶圖，如圖（c） 所示。在達到熱平衡之后，兩邊的Fermi能級（EF）是拉平（統一）的。能帶的傾斜就表示著電場 的存在。勢壘高度:實

6、際上，在p-n結界面處的內建電場就使得p型半導體與n型半導體之間產生了電位差一內 建電勢差（或內建電壓）。電場越強，內建電勢差就越大。此內建電勢差所對應的能量差（能量基 電勢差x電子電荷），即為p-n結的勢壘高度。雖然勢壘高度并不直接反映的內建電場的大小，因為 內建電場在勢壘區中的分布可能不一定均勻（決定于空間電荷密度的分布），然而內建電場分布曲 線下面的面積卻總是一定的（即內建電壓不變）。所以，電場越強，勢壘高度也就越大。注意：a）從熱平衡時p-n結能帶圖的形成來看（比較圖（a）和圖（c），勢壘高度實際上也就 等于兩邊半導體在接觸之前的Fermi能級之差，即：勢壘高度=EFn - EFp。b

7、）內建電勢差是p-n結為了達到熱平衡、而在內部自動產生出來的一個電勢差，只是局限于p-n結界面附近；該電勢 差在外面不可能表現出來，因為這時p-n結體系是處于熱平衡狀態，不可能對外做功。因為p-n結中內建電勢差的存在，就使得電子在p型半導體一邊的勢能要高于n型半導體一邊， 空穴的勢能恰恰相反。而電子的勢能可看成是導帶底能量，空穴的勢能可看成是價帶頂能量，所以 p-n結兩邊的整個能帶的高低，就相差一個與此內建電勢差相對應的勢能差一p-n結的勢壘高度。 由于電場等于勢能梯度，因此能帶在勢壘區中是傾斜的，在以外是水平的，如圖（c）所示。勢壘厚度:存在內建電場的區域就是勢壘區，勢壘區的厚度（或寬度）與

8、半導體的摻雜濃度等因素有關。 可以想見，在摻雜濃度一定（即空間電荷密度一定）的條件下，內建電場越強、勢壘高度越大，勢 壘厚度也就將越大；但勢壘厚度與勢壘高度之間不是簡單的線性關系，這決定于摻雜濃度的分布形 式（突變結近似為平方根關系，線性緩變結近似為立方根關系）。（4）p-n結的基本特點在單獨的n型半導體或者p型半導體中，電子的勢能都是一樣的（可以認為都是導帶底能量）， 空穴亦然（價帶頂能量）；但是在熱平衡的p-n結中，因為n型和p型這兩邊之間存在著內建電勢 差，則電子在n型半導體中和在p型半導體中的勢能就不一樣了，所以導帶底以及價帶頂在兩邊的 高低也就有所不同了（即p型半導體一邊的整個能帶都

9、要高于n型半導體一邊的整個能帶）。對于一般的p-n結，它的勢壘區與空間電荷區是重合的（但是，pin結的勢壘區要比空間電 荷區寬得多），因此只有在p-n結勢壘區中才存在著內建電場，在勢壘區以外是電中性區。從而， p-n結勢壘區中的能帶是傾斜的，載流子在勢壘區以內的運動主要靠漂移；但在勢壘區以外的能帶 是水平的，載流子的運動主要靠擴散。對于勢壘區以外、兩邊的電中性區，其中一個擴散長度大小 的范圍特稱為擴散區，因為這是少數載流子能夠擴散到勢壘區邊緣的一個有效范圍，在此范圍以外 的電中性區中的少數載流子就難以擴散到勢壘區。因為勢壘區是在冶金學界面附近處的一個區域，其厚度一般較薄，所以勢壘區中的內建電場 通常都較強；而內建電場起著把導帶