半导体物理第三章1.

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1、第三章：PN结 PN结是半导体器件的核心。PN结的性质集中反映了半导体导 电性能的特点：存在两种载流子；载流子有漂移、扩散和产 生复合三种基本运动形式。 简单情况下：N型区均匀掺杂施主；P型区均匀掺杂受主。在P 型和N型区交界面处，杂质分布有一突变，称为突变结。 PN具有单向导电性 当PN结的P区接电源正极 ，N区接电源负极，PN结 能通过较大电流，并且电 流随着电压的增加增长很 快,称PN结处于正向。 反之，当P区接电源负极 ，N区接电源正极，则电 流很小，而且电压增加时 电流趋于“饱和”，称PN 结处于反向。 PN结正向导电性能好，（ 正向电阻小），反向导电 性能差，（反向电阻大） 。原因

2、是什么？ 3.1.1 平衡PN结 载流子漂移运动和扩散运动的相互转化，才形成PN结导 电性能的一系列特点。 漂移电流密度为 电子： 空穴： 扩散电流密度为 电子： 空穴： 漂移运动和扩散运动相互抵 消时（大小相等、方向相反 ），实现平衡PN结。 又有： 费米能级必须是水平的，这一平 衡条件也正意味着载流子的扩散 和漂移相对平衡。 3.1.2 PN结的正向注入 正向偏压下，外加电场的方 向与自建场的方向相反，使空 间电荷区中的电场减弱，原来 的相对平衡被打破，载流子的 扩散运动优于漂移运动。这种 情况下，电子源源不断地从N 区扩散到P区，空穴从P区扩散 到N区，成为非平衡载流子， 这种现象称为P

3、N结的正向注入 。 电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，它们的运动方向相反，但所带的 电荷符号也相反，代表的电流方向是相同的，都是从P区到N区，这两股电流构 成了PN结的正向电流。 注入的非平衡载流子以扩散的 形式运动，边扩散边复合，并 且非平衡载流子电流密度（绝 对值）为Noq（D/L）。No表示 注入边界的非平衡载流子浓度 （如图中的 和 ）。 正向偏压下，PN结的势垒从平 衡时候的qV0减少到q(V0-Vf). 电子浓度通过空间电荷区的位 垒到P区边界，降低为： 由于正向注入效应，使边界上的少子浓度增加到原来浓度 乘以 因此边界上非平衡载流子的浓度： 可进一步得到注入P区的电子电

4、流密度： 同理，注入N区的空穴电流密度 ： PN结的正向电流即为上述两电流之和： 通常情况下PN结的正向电流-电压关系可近似为： 只要PN结处于正向导通的状态，结上 的正向偏压就具有大体确定的值，此 值称为PN结的导通电压，也称正向压 降。 虽然通过PN结的正向电流大小不同， 而正向电压却能大体保持不变（指数 变化规律的原因）。 禁带宽度不同的半导体材料制成的PN 结，导通电压的数值范围是不一样的 （如图）；这实际是反映了少子浓度 对PN结正向电流的影响。 (材料的禁带宽度越大，平衡时的少子浓度就越小，因此为了通过同样大 的电流，就必须有更大的正向电压。) PN结正向电流如何实现电子电流与空穴

5、电流的转变？ 分析从N区进入到P区的电子电流。电子从左到右穿过N区时是多子漂移电流，跨过 空间电荷区，进入到P区就成为非平衡载流子，以扩散形式运动，在扩散中，它们 将先后复合，逐渐减少，最后消失。但是，复合并不意味着电流的中断，而是通过 电子-空穴的复合而转换成P区的空穴电流。 注入P区的电子扩散电流随距离按指数下降，空穴漂移电流则相应地不断增大，而 两者之和在任何截面上都是相等的 。 3.1.3 PN结的反向抽取 反向偏压时，外电场方向与 自建场方向相同，增强了空间 电荷区的电场，载流子的漂移 运动超过了扩散运动。此时 N区的空穴一旦达到空间电荷 区边界，就要被电场拉向P区 ，P区的电子一旦

6、到达空间电 荷区的边界，也要被电场拉向 N区，这种现象称为反向抽取 。 以上运动构成了PN结的反向电流，电流方向由N区流向P区。 N区和P区间的电势差由原来的V0变成（V0+Vr），位垒高度升高到q(V0+Vr). 此时P区的费米能级比N区高qVr。 3.1.3 PN结的反向抽取 近似应用波尔兹曼分布可以求 得P区边界Xp处的电子浓度： 可见，在反向偏压远远大于kT/q时， 边界少子浓度将很小。此时空间电荷 区以外，边界附近的少数载流子就要 向空间电荷区扩散，一旦到达空间电 荷区边界就立即被电场拉向对方。出 现如图所示的浓度分布。 与正向注入相比，区别在于正向注入使边界少子浓度增加而形成积累；

7、反向抽取 使边界少子浓度减少而形成欠缺，非平衡载流子浓度为负值。 因此边界上非平衡载流子的浓度： 因此，很容易得到反向电流密度（绝对值）： 反向电流将趋于一个恒定值。称为反向饱和电流。 理解： 反向电流是由PN结附近所产生而又有机会扩散到边界的少数载流子形成的（厚 度大约为扩散长度的一层）。只要在距离PN结边界一个扩散长度范围内，任何 产生少数载流子的机构（如表面作用）都将使得反向电流增加。 一般情况下，由于P区中的电子和N区中的空穴都是少数载流子，浓度很小，所 以反向电流很小。但是一旦有外界作用，使达到反向结边界的少数载流子 浓度提高，反向电流将增大。如npn晶体三极管；光照射反向PN结。

8、3.2 空间电荷区中的复合和产生电流 空间电荷区中的复合中心对PN结的特性起着重要的作用。上节 中，我们没有考虑这方面的影响，因此，无论是正向特性还是 反向特性，所得到的理论结果与实际情况之间都存在一定的偏 离。 我们首先考虑3.2.1 PN结空间电荷区中的复合电流 正向偏压时，通过PN结的总电流 ： 其中，jrg是n区来的电子和p区来 的空穴在空间电荷区中的复合对 应的电流。 空间电荷区中，电子和空穴通过复合中心的复合率可以比在N 区和P区大很多数量级。具体地，复合率等于 从加了正向偏压的PN结的能带图可以看出，N区的费米能级要高于P 区qVf。此时，由于电子和空穴不再处于相互平衡状态，它们

9、各自有 自己的准费米能级。但一般可以近似认为：(EF)n和(EF)p延伸进PN结 空间电荷区的水平线就分别代表电子和空穴的准费米能级。 由于外加偏压情况下，电子和空穴都是运动的，实际情况是：电子 和空穴的费米能级在横跨空间电荷区后，还要经过一段距离才逐渐 靠拢，以至相互重合。 基于上述近似，载流子浓度可以根据各自的准费米能级写出： 它们的乘积： 又因为： 故， 可以得到，空间电荷区中，尽管n和p是各自剧烈变化的，但是np是 处处一样的，复合率公式的分子是不变的。 如何理解复合率在空间电荷区比在N区和P区大很多？ (i) 对于深能级的复合中心，n1和p1十分小。在空间电荷区的边界上 ， n和p中

10、有一个是多子浓度，所以复合率的分母数值很大，复 合率就很小。 (ii) 空间电荷区内，n和p都要比N区和P区相应的多子浓度少好几个 数量级，导致分母很小，复合率增大若干数量级。 如果做简单的估算，复合中心是最典型的深能级Et=Ei,此时，n1=p1=ni. 进一步，令 ，则复合率可以简化为： 在空间电荷区，分子不变。所有上式的极大值发生在分母中n+p为极小值的 时候。由于np的值不变。 故， 得到的最大复合率为： PN结的复合电流实际上主要由最大复合率所决定！（理解） 主要来自于发生在某一薄层（厚度约 ）附近的电子和空穴的复合。 3.2.2 复合电流的特点 空间电荷区复合电流随着外加电压增加的

11、比较缓慢。因此，往往只有在 比较低的正向偏压，或者说PN结电流比较小的时候，空间电荷区复合电 流才起到重要的作用。 空间电荷区复合电流正比于ni,而注入的扩散电流正比如少子浓度，少 子浓度正比如ni2,故，空间电荷区复合电流与正向注入电流的比值反比 于ni,即： 因此，ni愈大，空间电荷区复合电流的影响越小。 根据空间电荷区复合电流的特点，可以用测量PN结正向电流与电压的变化 关系，实验上分析空间电荷区复合电流的影响，称为电流-电压法。 纵坐标为电流的对数lgI, 横坐标为正向电压Vf。得到的曲线可以分成接近 用虚线表示的两条直线，分别代表注入电流和复合电流。 对于正向注入电流： 对于复合电流

12、： 因此，根据上述理论，可以辨别 出复合电流的作用，确定在怎样 的电流和电压范围内，复合电流 是重要的。 Vf 3.2.3 PN结空间电荷区中的产生电流 PN结加反向偏压时，由于反向抽取引起的反向电流是在PN结的两侧P区 和N区内产生出来，而又能扩散到空间电荷区的少子构成的。这部分电 流实质上不代表反向电流的全部，而只是反向电流的一部分，称为体内 扩散电流。 在硅PN结的反向电流中，往往更为重要的是空间电荷区中的产生电流， 即通过空间电荷区中的复合中心产生的电子-空穴对所引起的电流。一 对电子-空穴一旦在空间电荷区产生，就立即被反向PN结强场强扫向N区 和P区，形成贯穿PN结的电流线，如下图所

13、示。 空间电荷区产生电流可以发挥重要作用，这是由于复合中心在 反向PN结空间电荷区中，比在中性的N区和P区具有更为强烈的 产生作用。 在能带图中，与正向时一样，N区和P 区的费米能级的水平线，可以近似代 表电子和空穴的准费米能级，因此， 可以根据它们去求算载流子的浓度n 和p。 MN之间区域，Ei在(EF)n之上，在(EF)P 之下，因此电子和空穴浓度公式中的 指数均为负值，n远远小于ni;p远远小 于ni。故复合率可简化为： 负号表明是产生不是复合。进一步取n1=p1=ni(深能级)， 得到 产生率为： 在P型或者N型半导体中，最大的产生率是发生在少子为0的情形。产生率等于平 衡少子浓度除以

14、寿命。显然，这比空间电荷区中的产生率小很多。 在较大反向偏压下（qVr禁带宽度），M和N间的区域在空间电荷区占据绝大部 分。因此，可以认为，在整个PN结空间电荷区的厚度Xm内，电子-空穴的产生率 都为 ，对应得到的 产生电流密度： 空间电荷区产生电流和体内扩散电流比较： 以PN+结为例（N区为高掺杂浓度）来估算体内扩散电流。由于N+区一边的多子 浓度很高，平衡少子浓度很小，所以体内扩散电流可以只计P区的电子电流： 对于禁带宽度较窄的半 导体，ni就越大，所以 体内扩散电流起到的作 用就越大。这就是为什 么Ge PN结和Si PN结相 比，体内扩散电流更为 重要的原因。 3.3 晶体管的电流放大

15、作用 晶体管是一类很重要的半导体结型器件。分析晶体管的电流放 大作用将有利于加深对PN结正向、反向特性的理解。 晶体管的结构： 晶体管是由两个相邻的PN结组成。制造 晶体管的典型方法是“平面工艺技术” （npn晶体管为例）。 简化之后的模型（左下角）中，晶体管 基本结构：两个n型层中间夹着一个很 薄的p型层，这个p型层叫“基区”。两 个n型层分别叫做发射区和集电区（n+ 层为发射区）。对应的两个pn结分别为 发射结和集电结。通常情况下，基区很 薄，在微米量级。 从三个区域引出三根电极引线，叫发射 极(e)、基极(b)、集电极(c)。 3.3.1 电流放大 以npn晶体管为例，要实现电流放大，

16、发射结通常接地，在b和e之间加一个较 小电压Vbe使发射结处于正向而在c,e之 间加较高的电压Vce使集电结处于反向。 假设我们把基极断开，则发射结和集电 结串联在电路中，由于集电结处于反向 ，电阻很大，外加电压几乎全部加在集 电结上，整个电路几乎没有电流通过。 当接通基极，发射结单独加上了正向电 压，改变Ib的大小，Ic将按照Ib的很大 倍数而变化，这就是电流放大作用。 Ib Ic Ie 接通基极电路时，正向发射结把电子注入到p型基区，基区宽度W远远小于 扩散长度，注入到基区的电子还来不及复合就扩散到反向集电结的边界， 被反向集电结的抽取作用拉向集电区，形成反向大电流。 我们具体讨论下电流的组成。 （i）发射结正向电流Ie由注入到基区的电子电流Ine和注入到发射区的空穴