半导体器件原理第二章1课题.ppt

* PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。 第二章 PN 结 分析方法：将 PN 结分为三个区，在每个区中分别对基本半导体方程进行简化和求解。 P 区 NA N 区 ND 平衡状态 --- PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。 §2-1 PN 结的平衡状态 本节主要介绍PN 结空间电荷区的形成， PN 结的内建电场、内建电势，及平衡时的PN 结空间电荷区宽度。 1、空间电荷区的形成 平衡少子： P区： N区： 利用 no po = ni2 的关系，可得： 平衡多子： P区： N区： 可见： 空穴扩散：P 区 N 区 电子扩散：P 区 N 区 扩散电流方向为：P 区 N 区 P 区 N 区 NA-，pp0 ND+，nn0 扩散电流： P 区 N 区 漂移电流： P 区 N 区 P区留下 ，N区留下 ，形成 空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由N 区指向P 区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。 达到平衡时，净电流 = 0 。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。 内建电场 空间电荷区 P 区 N 区 NA- ND+ NA- pp0 ND+ nn0 耗尽近似 --- 认为空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为 “耗尽区”。 中性近似 --- 认为在耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为 “中性区”。 2、耗尽区 突变结 --- P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面处（x = 0）发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为 单边突变结，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。 线性缓变结 --- 冶金结面两侧的杂质浓度均随距离作线性变化，杂质浓度梯 a 为常数。 以下推导突变结在平衡时的内建电场、内建电势与耗尽区宽度。在N区的耗尽区中，根据耗尽近似，泊松方程成为： P N 上式也可写成： （ 因 ） 积分一次，得： 由边界条件： 可求得常数 C 为： 于是可得： 同理可在P 区耗尽区中求解泊松方程得： 以上求得的 ε ( x ) 就是PN 结的 内建电场。 在 x = 0 处，ε ( x ) 达到最大值： 由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度： 及 总的耗尽区宽度： 上式中， 称为 约化浓度。 对内建电场作积分可得 内建电势（也称为扩散电势） ： 以及： 以上建立了3 个方程，但有 4 个未知量，即 、 、 和 。下面用另一种方法来求 。 并可进一步求出内建电势为： 从上式可解出内建电场： 已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度方程可得： 由于 ， ，故得： 由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的约为 0.35V 。最后可得： 对于 单边突变结， 则以上各式可简化为： 对于 单边突变结， 以上各式又可简化为： 可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧， 与 也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 3、突变PN 结的能带图 已知突变结耗尽区内的电场分布 后，对 作一次积分就可以求出耗尽区内的 电位分布 以及 电子的电位能分布 ，这也就是PN结的能带图。 再利用 “ 载流子浓度 载流子能量 ” 的关系，就可进一步求出电子和空穴的浓度分布。 PN结能带图中的导带底 、价带顶 与