第七章第七章 PN PN 结结本章学习要点：本章学习要点：1. 1. 了解了解PNPN结的结构及空间电荷区的概念；结的结构及空间电荷区的概念；2. 2. 掌握零偏状态下掌握零偏状态下PNPN结的特性，包括内建电势、内结的特性，包括内建电势、内 建电场以及空间电荷区宽度等；建电场以及空间电荷区宽度等；3. 3. 掌握反偏状态下掌握反偏状态下PNPN结的空间电荷区宽度、内建电结的空间电荷区宽度、内建电 场以及场以及PNPN结电容特性；结电容特性；4. 4. 了解非均匀掺杂了解非均匀掺杂PNPN结的特性；结的特性； §7.1 PN §7.1 PN结的基本结构结的基本结构1. PN1. PN结的基本结构结的基本结构PNPN结是由一个结是由一个N N型掺杂区和一个型掺杂区和一个P P型掺杂区紧密接触所型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面构成的，其接触界面称为冶金结界面 2. 2. 制造制造PNPN结的方法：结的方法：（（1 1）外延方法：突变）外延方法：突变PNPN结；结；（（2 2）扩散方法：缓变）扩散方法：缓变PNPN结；结；（（3 3）离子注入方法：介于突变结与缓变结之间；）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。
为简单起见，首先讨论突变结 理想突变结：理想突变结： P P型区和型区和N N型区分别均匀掺杂型区分别均匀掺杂က က P P型区掺杂浓度为型区掺杂浓度为N Na aက က N N型区掺杂浓度为型区掺杂浓度为N Nd d 冶金结是面积足够大的平面冶金结是面积足够大的平面理想突变结杂质浓度曲线 3. PN3. PN结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成 两种材料接触形成两种材料接触形成PNPN结时，冶金结两侧将出现载流结时，冶金结两侧将出现载流子密度差，形成可动载流子的扩散流：子密度差，形成可动载流子的扩散流：က က * * 电子离开电子离开N N型区向型区向P P型区扩散，在型区扩散，在N N型区留下带正电型区留下带正电荷的施主离子荷的施主离子က က * * 空穴离开空穴离开P P型区向型区向N N型区扩散，在型区扩散，在P P型区留下带负电型区留下带负电荷的受主离子荷的受主离子 离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷，离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷，该区域即为该区域即为空间电荷区空间电荷区 空间电荷区空间电荷区: : 半导体带电的区域。
半导体带电的区域空间电荷区也称为空间电荷区也称为 势垒区；势垒区； 过渡区；过渡区； 耗尽区；耗尽区；空间电荷区将形成内建电场空间电荷区将形成内建电场 内建电场引起载流子的漂移运动，漂移运动内建电场引起载流子的漂移运动，漂移运动与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态 空间电荷区及内建电场的形成过程示意图空间电荷区及内建电场的形成过程示意图达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流 平衡平衡PNPN结的特点：结的特点： က က势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消§က က整个整个pnpn结具有统一的费米能级结具有统一的费米能级§က က能带弯曲－－势垒高度能带弯曲－－势垒高度 达到平衡状态的达到平衡状态的PNPN结能带图具有统一的费米能级结能带图具有统一的费米能级 §7.2 §7.2 零偏状态下的零偏状态下的PNPN结结零偏状态零偏状态:V:V外外=0=01. 1. 内建电势差内建电势差 由由PNPN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，状态时，PNPN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该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的电场在空间电荷区中的积分积分就形成了一个就形成了一个内建电势差内建电势差。
从能量的角度来看，在从能量的角度来看，在N N型区和型区和P P型区之间建立了一型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向个内建势垒，阻止电子进一步向P P型区扩散，该内建势型区扩散，该内建势垒的高度即为内建电势差，用垒的高度即为内建电势差，用V Vbi bi 表示 内建势垒的高度：内建势垒的高度：影响势垒高度的因素：影响势垒高度的因素： 掺杂浓度；掺杂浓度； 温度；温度； 2 2、电场强度、电场强度耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离右图所示为突变结的体电荷密度分布右图所示为突变结的体电荷密度分布 结论：结论： 1））E≤0 ；； 2）电场强度为直线分布）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在）电场强度最大值在x=0处；处； 结论：结论： 1））E≤0 ；； 2）电场强度为直线分布）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在）电场强度最大值在x=0处；处； 最大电场强度最大电场强度由由PN结界面处电场连续可得：结界面处电场连续可得：结论：结论：在在PN结界面两侧，结界面两侧，N型区中单位面积的正电荷与型区中单位面积的正电荷与P型型区中点位面积的负电荷相等。
区中点位面积的负电荷相等在在PN结界面处电场达到最大，最大电场为：结界面处电场达到最大，最大电场为： 内建电势：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的电势分布在荷区中的电势分布在P型区一侧有：型区一侧有： 设置电势零点为：设置电势零点为：由此可得：由此可得：P型区中一侧空间电荷区中的电势分布为：型区中一侧空间电荷区中的电势分布为： PN结空间电荷中电势分布：结空间电荷中电势分布： 电子的电势能可表示为：电子的电势能可表示为：可见，电子的电势能与电势的可见，电子的电势能与电势的 变化类似变化类似 w 3 空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度将将带入带入PN结内建势垒公式：结内建势垒公式： 影响空间电荷区宽度的因素：影响空间电荷区宽度的因素： 掺杂浓度：主要取决于低掺杂区的浓度；掺杂浓度：主要取决于低掺杂区的浓度； 温度；温度； §7.3 §7.3 反偏状态下的反偏状态下的PNPN结结 当在当在PNPN结的两边外加一个电压时，此时整个结的两边外加一个电压时，此时整个PNPN结结就不再处于热平衡状态，因此整个就不再处于热平衡状态，因此整个PNPN结系统中也就不结系统中也就不再具有统一的费米能级。
再具有统一的费米能级 反向偏置反向偏置: PN: PN结的结的N N型区相对于型区相对于P P型区外加一个正型区外加一个正电压电压V VR R 外加反偏电压外加反偏电压VR时的时的PN结的能带图结的能带图 外加电场存在将会使得能带图中外加电场存在将会使得能带图中N N型区的费米能级往下拉，型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量 此时，此时，PNPN结上总的势垒高度增大为：结上总的势垒高度增大为： 1. 1. 空间电荷区宽度与空间电荷区宽度与PNPN结中的电场结中的电场当当PNPN结两侧外加反向偏压结两侧外加反向偏压V VR R时，时，PNPN结内部空间电荷区结内部空间电荷区中的电场增强，因此中的电场增强，因此PNPN结界面两侧的空间电荷区宽度结界面两侧的空间电荷区宽度将会进一步展宽将会进一步展宽 利用前面推导出的利用前面推导出的空间电荷区宽度空间电荷区宽度公式，只需将公式中公式，只需将公式中的的PNPN结内建势垒代换为反偏结内建势垒代换为反偏PNPN结上总的势垒高度，即：结上总的势垒高度，即：结论：结论：PNPN结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压结中总的空间电荷区宽度随着外加反向偏置电压V VR R的的增大而不断增大。
增大而不断增大 同样，空间电荷区在同样，空间电荷区在PN结两侧的扩展宽度也可以分结两侧的扩展宽度也可以分别求得，其中在别求得，其中在N型区一侧的扩展宽度为：型区一侧的扩展宽度为： 当当PNPN结外加的反向偏压改变时，结外加的反向偏压改变时，PNPN结中耗尽结中耗尽区的宽度发生变化，因此区的宽度发生变化，因此PNPN结两侧耗尽区中的电结两侧耗尽区中的电荷也会随之而发生改变，这种充放电作用就是荷也会随之而发生改变，这种充放电作用就是PNPN结的结的电容效应电容效应2. PN2. PN结的势垒电容结的势垒电容 根据电容的定义，单位面积根据电容的定义，单位面积PN结的电容为：结的电容为： 上式为上式为PN结势垒电容，也称为耗尽层电容结势垒电容，也称为耗尽层电容 将耗尽区宽度将耗尽区宽度此式与单位面积的此式与单位面积的平行板电容平行板电容公式完全相同公式完全相同注意注意: :PNPN结电容中的耗尽区宽度随着反偏电压的改变而结电容中的耗尽区宽度随着反偏电压的改变而不断变化，因此电容也是随着反向偏置电压的改变而不不断变化，因此电容也是随着反向偏置电压的改变而不断变化的断变化的带入上式得带入上式得 ：： 小结：小结：PNPN结反偏时形成的突变结势垒电容等效为平行结反偏时形成的突变结势垒电容等效为平行板电容器的电容。
板电容器的电容影响势垒电容大小的因素：影响势垒电容大小的因素： 掺杂浓度：掺杂浓度：掺杂浓度增加掺杂浓度增加 ，势垒电容增加；，势垒电容增加； 单边突变结，决定于低掺杂区浓度单边突变结，决定于低掺杂区浓度 偏置电压：偏置电压： 反偏电压变大，势垒电容减小反偏电压变大，势垒电容减小 3. 3. 单边突变单边突变PNPN结结如果如果PNPN结两侧的掺杂浓结两侧的掺杂浓度相差很大，通常称之度相差很大，通常称之为为单边突变单边突变PNPN结结如果如果P P型区的掺杂浓度远型区的掺杂浓度远远大于远大于N N型区的掺杂浓度，型区的掺杂浓度，即即N Na a>>N>>Nd d，称之为，称之为P P＋＋N N 可见，可见，PNPN结电容倒数的平方与反偏电压结电容倒数的平方与反偏电压V VR R成线性关系成线性关系 结论：结论：利用此线性关系，可外推求出利用此线性关系，可外推求出PN结的内建电势差结的内建电势差可以通过直线的斜率求出可以通过直线的斜率求出PN结低掺杂一侧的掺杂浓结低掺杂一侧的掺杂浓度 §7.4 §7.4 非均匀掺杂的非均匀掺杂的PNPN结结 至此，所讨论的至此，所讨论的PNPN结两侧都是均匀掺杂的半导体结两侧都是均匀掺杂的半导体材料，但是实际的情况并非完全如此，另外在某些特材料，但是实际的情况并非完全如此，另外在某些特殊的应用场合，也需要一些特别设计的非均匀掺杂殊的应用场合，也需要一些特别设计的非均匀掺杂PNPN结。
结1. 1. 线性缓变线性缓变PNPN结结 通过扩散方法制造的通过扩散方法制造的PNPN结，杂质浓度分布近似为线结，杂质浓度分布近似为线性分布，这种性分布，这种PNPN结称为线形缓变结称为线形缓变PNPN结 N N型掺杂浓度与型掺杂浓度与P P型掺杂浓度相等之处，即为型掺杂浓度相等之处，即为PNPN结界结界面的位置，也就是冶金结的位置面的位置，也就是冶金结的位置 P区为非均匀掺杂的区为非均匀掺杂的PN结的杂质浓度分布结的杂质浓度分布: 理想线形缓变结：理想线形缓变结： 杂质分布：杂质分布：N N（（x) = Nd-Na = axx) = Nd-Na = ax 结论：结论：性缓变性缓变PNPN结的空间电荷区中，电场强度是距离的结的空间电荷区中，电场强度是距离的二次函数关系，而不再是均匀掺杂二次函数关系，而不再是均匀掺杂PNPN结空间电荷区中结空间电荷区中电场强度随空间位置的线性变化关系电场强度随空间位置的线性变化关系最大电场强度仍然位于冶金结界面处，空间电荷区之最大电场强度仍然位于冶金结界面处，空间电荷区之外电场强度也仍然为零外电场强度也仍然为零 电场强度与距离的关系电场强度与距离的关系 2. 2. 超陡峭的超陡峭的PNPN结结 对于单边突变对于单边突变P P＋＋N N结，考虑更一般的情况，即当结，考虑更一般的情况，即当x>0x>0时，时，N N型区的掺杂浓度可表示为：型区的掺杂浓度可表示为： N = Bx N = Bxm m当当m=0m=0时，即为均匀掺杂的情形；时，即为均匀掺杂的情形；当当m=1m=1时，即为线性缓变时，即为线性缓变PNPN结的情形；结的情形；当当m m为负值时，即为所谓的超陡峭掺杂的为负值时，即为所谓的超陡峭掺杂的PNPN结。
结采用类似的分析方法，可以求得超陡峭掺杂采用类似的分析方法，可以求得超陡峭掺杂PNPN结单位结单位面积的耗尽区电容为：面积的耗尽区电容为： PNPN结小结结小结1 1、、PNPN结结P P型区和型区和N N型区为同一块半导体单晶材料；型区为同一块半导体单晶材料；2 2、空间电荷区：、空间电荷区： PN PN结中带电的区域，空间电荷区中结中带电的区域，空间电荷区中大多数载流子已经耗尽，因此空间电荷区也称为大多数载流子已经耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽耗尽区区耗尽区之外，中性区耗尽区之外，中性区3 3、内建电场：内建电场位于空间电荷区，最大值在、内建电场：内建电场位于空间电荷区，最大值在x=0x=0处，耗尽区之外，处，耗尽区之外，内建电场为零内建电场为零内建电场同时也会引起内建电势差，使得能带发生弯内建电场同时也会引起内建电势差，使得能带发生弯曲 4 4、零偏时，、零偏时，PNPN结中没有净的电流，因此整个结中没有净的电流，因此整个PNPN结中各结中各处的费米能级保持恒定处的费米能级保持恒定 5 5、反偏、反偏PNPN结结PNPN结加反向置电压结加反向置电压V VR R时，时，PNPN结空间电荷区中电场增强，结空间电荷区中电场增强，PNPN结势垒增大，结势垒增大，PNPN结两侧耗尽区进一步展宽。
结两侧耗尽区进一步展宽反偏反偏PNPN结呈现出电容特性，一般称之为结呈现出电容特性，一般称之为PNPN结势垒电容结势垒电容 突变结突变结 本章作本章作业题 。