微电子器件课件2-1PPT格式课件下载.ppt

1、单边突变结。线性缓变结线性缓变结：冶金结面两侧的：冶金结面两侧的杂质浓度随距离作杂质浓度随距离作线性变化，线性变化，杂质杂质浓度梯度浓度梯度 a 为常数。为常数。平衡状态平衡状态：PN 结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。光照、磁场、辐射等外作用。2.1 PN 结的平衡状态结的平衡状态 本节将介绍本节将介绍 PN 结结 空间电荷区的形成空间电荷区的形成，PN 结的结的 内建电场内建电场、内建电势内建电势，及平衡时的，及平衡时的 PN 结结 空间电荷区宽度空间电荷区宽度。2.1.1 空间电荷区的形成空间电荷区的形成 平衡少子平衡少

2、子P 区：区：N 区：利用利用 n0 p0=ni2 的关系，可得：的关系，可得：平衡多子平衡多子P 区：可见，可见，空穴扩散：空穴扩散：P 区区 N 区区电子扩散：电子扩散：P 区区 N 区区扩散电流方向为，扩散电流方向为，P 区区 N 区区P 区区N 区区NA-，pp0ND+，nn0 扩散电流：扩散电流：P 区区 N 区区 漂移电流：漂移电流：P 区区 N 区区 P 区留下区留下 NA-，N 区留下区留下 ND+，形成形成 空间电荷区空间电荷区。空间电。空间电荷区产生的电场称为荷区产生的电场称为 内建电场内建电场，方向为由，方向为由 N 区指向区指向 P 区。电场区。电场的存在会引起漂移电流

3、，方向为由的存在会引起漂移电流，方向为由 N 区指向区指向 P 区。区。达到达到平衡时，净电流平衡时，净电流=0。于是就形成一个稳定的有一定。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。宽度的空间电荷区。内建电场内建电场空间电荷区空间电荷区P 区区 N 区区NA-ND+NA-pp0ND+nn0 耗尽近似耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为称为“耗尽区耗尽区”。中性近似中性近似：假设假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度耗尽区以外

4、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因而保持电中性。这时这部分区域又可称为“中性区中性区”。2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度内建电场、内建电势与耗尽区宽度 1、耗尽近似与中性近似、耗尽近似与中性近似 由第一章例由第一章例 1.1 的式（的式（1-14a），），采用耗尽近似后，在采用耗尽近似后，在 N 区区的耗尽区中，泊松方程为的耗尽区中，泊松方程为积分一次，得：积分一次，得：由由边界条件：边界条件：可可求得常数求得常数 C 为为 2、内建电场、内建电场于是可得：于是可得：（2-5a）PN 同理，在同理，在 P 区区耗尽区中求解泊松方程，得：耗尽区中求解泊松

5、方程，得：以上求得的以上求得的 E（x）就是就是 PN 结的结的 内建电场内建电场。（2-5b）在在 x=0 处，处，内建电场达到最大值，内建电场达到最大值，由上式可求由上式可求出出 N 区与区与 P 区的耗尽区宽度区的耗尽区宽度 及及 总的耗尽区宽度总的耗尽区宽度：式中，式中，称为称为 约化浓度约化浓度。3、耗尽区宽度、耗尽区宽度（2-6）（2-8）（2-7）对内建电场作积分可得对内建电场作积分可得 内建电势内建电势（也称为（也称为 扩散电势扩散电势）Vbi 或或 以上建立了以上建立了 3 个方程，个方程，（2-6）、（2-7）和和（2-10），但有，但有 4 个个未知数，即未知数，即 、和

6、和 。下面用另一方法来求。下面用另一方法来求 。4、内建电势、内建电势（2-10）并可并可进一步求出内建电势为进一步求出内建电势为从上式可解出从上式可解出内建电场，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：电流密度方程可得：由于由于 ，故得：，故得：由上式由上式可见，可见，Vbi 与掺杂浓度、与掺杂浓度、ni（或或 EG 及温度及温度 T）有关。有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的硅的 Vbi 约为约为 0.75V，锗的锗的 Vbi 约为约为 0.35V。（2-13）最后可得

7、：最后可得：对于对于 P+N 单边突变结，单边突变结，则则以上各式可简化为以上各式可简化为 5、单边突变结的情形、单边突变结的情形 对于对于 PN+单边突变结，单边突变结，以上各式又可简化为以上各式又可简化为 可见，可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧，与与 也也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。PN 结能带图中的导带底结能带图中的导带底 EC、价带顶价带顶 EV 与本征费米能级与本征费米能级 Ei 均与均与 有相同的形状，而平衡状态下的费米能级有相同的形状，而平衡状态下的费米能级 EF 则是则是水平的。由此可画出平衡水平的。由此可画出

8、平衡 PN 结的能带图如下图所示。结的能带图如下图所示。再利用再利用“载流子浓度载流子浓度 载流子能量载流子能量 ”的关系，的关系，就可进一步求出电子和空穴的浓度分布。就可进一步求出电子和空穴的浓度分布。2.1.3 能带图能带图 已知突变结耗尽区内的电场分布已知突变结耗尽区内的电场分布 E（x）后，对后，对 E（x）作一次作一次积分就可以求出耗尽区内的积分就可以求出耗尽区内的 电位分布电位分布 以及以及 电子的电位能电子的电位能分布分布 ，这也就是，这也就是 PN 结的能带图。结的能带图。N区区P区区 由图可见，电子从由图可见，电子从 N 区到区到 P 区区必须克服一个高度为必须克服一个高度为

9、 qVbi 的势垒，的势垒，空穴从空穴从 P 区到区到 N 区也必须克服一个区也必须克服一个同样高度的势垒，所以耗尽区也被同样高度的势垒，所以耗尽区也被称为称为“势垒区势垒区”。PN 下面讨论载流子的浓度分布。平衡载流子浓度可表为下面讨论载流子的浓度分布。平衡载流子浓度可表为 由由上上图，图，Ei（x）可表为可表为代入代入载流子浓度表达式中，得：载流子浓度表达式中，得：在在 x=xn 处，处，在在 x=-xp 处，处，上面得到的上面得到的 这这两个两个表达式在下一节推导载流子浓度的边界条件时要用到。表达式在下一节推导载流子浓度的边界条件时要用到。2.1.4 线性缓变结线性缓变结 在线性缓变结中

10、，杂质分布为在线性缓变结中，杂质分布为 ND-NA=ax，耗尽近似下的耗尽近似下的泊松方程为泊松方程为 边界条件为边界条件为 积分并应用边界条件后得电场分布为积分并应用边界条件后得电场分布为 内建电内建电势势 Vbi 为为 将上面关于将上面关于 与与 的两个方程联立，可解得：的两个方程联立，可解得：上式中，上式中，以上关于平衡以上关于平衡 PN 结的各个公式结的各个公式，都可以推广到有外加电，都可以推广到有外加电压时的情形。压时的情形。如果设外加电压全部降落在耗尽区上，如果设外加电压全部降落在耗尽区上，则则 只需将只需将各公式中的各公式中的 Vbi 用用（Vbi V）代替即可代替即可。注意外加

11、电压的参考极。注意外加电压的参考极性与性与 Vbi 相反相反。2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性耗尽近似和中性近似的适用性 以上在求解以上在求解泊松方程时采用了泊松方程时采用了耗尽近似和中性近似。实际耗尽近似和中性近似。实际上载流子在所谓的耗尽区内并未严格耗尽，这从上载流子在所谓的耗尽区内并未严格耗尽，这从 n（x）和和 p（x）的的表达式也可看出来。载流子浓度在耗尽区和中性区的边界附近表达式也可看出来。载流子浓度在耗尽区和中性区的边界附近也是逐渐过渡的，在中性区中靠近耗尽区的地方也是逐渐过渡的，在中性区中靠近耗尽区的地方，载流子浓度，载流子浓度已开始减少。然而严格的计算表明，精确结果与采用耗尽近似已开始减少。然而严格的计算表明，精确结果与采用耗尽近似所得到的结果是相当接近的，所得到的结果是相当接近的，采用耗尽近似不致引入太大的误采用耗尽近似不致引入太大的误差，但却可使计算大为简化。所以耗尽近似在分析半导体器件差，但却可使计算大为简化。所以耗尽近似在分析半导体器件时得到了广泛的应用时得到了广泛的应用。本小节的其余内容请同学们自学本小节的其余内容请同学们自学。