1、,Chapter 6 p-n Junctions（p-n结）,5.1 Fabrication Of p-n Junction,1. Alloyed Junctions (合金结),2. Diffused Junctions (扩散结),3. Ion Implantation (离子注入),4. Epitaxial Growth (外延生长),图1 p-n结基本结构,合金温度,降温再结晶,扩 散,缓变结与突变结,当p型半导体和n型半导体接触在一起时,在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.,5.2 Equilibrium p-n Junction,1 空间电荷区(Space char
2、ge region)的形成,(平衡状态下的结),刚接触，扩散漂移,（达到动态平衡）,阻挡层,扩散=漂移,内建电场,漂移,耗尽区 Depletion region,EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,2能带图 (Enery band diagram),3.接触电势差 (The Contact Potential) VD,平衡时,n型半导体中的电子浓度为,p型半导体中的电子浓度为,* 势垒高度 ND、NA,4.空间电荷区宽度(Space charge region width),突变结,5 载流子分布( Carrier distributions),5.3. p-n结电流-
3、电压特性,1. 势垒区的自由载流子全部耗尽,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。,I-V characteristic of a p-n junction,现假设:,2. 小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。,外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。,外加电场削弱了漂移运动，使:漂移扩散,(1) 正向偏置 （ Forward bias）,这种由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为电注入。,Space charge region,Neutral region,
4、Diffusion region,这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。,P区空穴向n区扩散空穴扩散电流,n区电子向P区扩散电子扩散电流。,根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,考虑-xp截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布,加正向偏置V后，结电压为（VD-Vf），,在xp处注入的非平衡电子浓度为：,在xn处注入的非平衡空穴浓度为：,同理：,-肖克莱方程,外加电场Vr与内建电场方向一致,扩散漂移,(2)反向偏置 （Reverse bias）,VD增大为（VD+V
5、r），相应地势垒区加宽,势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。,类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度,式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。,Jr与反向电压Vr无关，是因为当反向电压V的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。,p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：,正向：V= Vf 反向：V= -Vr,p-n结的伏-安特性,（3）I-V characteristic of a p-n junction,单向导电性-整流,Ge、Si、GaAs：0
6、.3、 0.7、1V,温度影响大,单边突变结,I-V特性由轻掺杂一边决定。,影响p-n结伏-安特性的主要因素：,产生偏差的原因：,（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。,（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。,空间电荷区的复合电流,空间电荷区的产生电流,注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布,大注入,扩散区产生内建电场,p-n结的直流伏-安特性表明：1. 具有单向导电性。2. 具有可变电阻性。,5.4. p-n结电容 (Capacitance of p-n Junctions),p-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。,（1）势垒电
7、容CT,由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容,也称结电容（Junction capacitance）,势垒电容,对于线性缓变结,对于突变结：,对于突变结：,其中 :,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,(2) 扩散电容,也称电荷存储电容（charge storage capacitance ）,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,也称电荷存储电容（charge storage capacitance ）,CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。,点接
8、触式二极管面积很小，CT 、CD ：0.51pF,面结型二极管中的整流管面积大，CT 、CD ：几十几百pF,（3）总电容,p-n结的总电容为两者之和：,正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD 反向偏置p-n结时，以CT为主，CjCT,5.5. p-n结的击穿(Berakdown),在反向偏置下，当反向电压很大时， p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性- p-n结的击穿。,p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对
9、碰撞电离。,(1)雪崩击穿(Avalanche berakdown),连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。,影响雪崩击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.势垒宽度:势垒宽度足够宽,击穿电压小,3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,4.温度:温度升高,击穿电压增大.,(2)齐纳击穿(Zener berakdown)或隧道击穿,是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.,根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向
10、电流.使p-n结击穿.,XD,XAB,影响齐纳击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,3.温度:温度升高,击穿电压下降,齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.,掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿. 相反,易发生雪崩击穿.,(3)热击穿,禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.,6. p-n结中的隧道效应,当p-n结的两边都是重掺杂时: (1) 费米能级分别进入导带和价带. (2)势垒十分薄.,在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流
11、. 隧道电流,平衡时,加正向电压的情况,加反向电压的情况,隧道二极管的优点：,温度影响小、高频特性良好,7. p-n结的光生伏特效应,如果用hEg的光照射具有p-n结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压. 光生伏特效应.,试述平衡p-n结形成的物理过程它有什么特点?画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向. 2.内建电势差VD受哪些因素的影响?锗p-n结与硅p-n结的VD哪个大?为什么? 3.试比较平衡p-n结,正向偏置p-n结,反向偏置p-n结的特点. 4.写出p-n结整流方程,并说明方程中每一项的物理意义? 5.p-n结的理想伏-安特性与实际伏-安特性有哪些区别?产生的原因是什么?,复习与思考,6.p-n结为什么有电容特性?与普通电容相比有哪些相似之处?有哪些区别? 7. p-n结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因和条件.影响它们的因素有哪些? 8.在隧道二极管中,n区常重掺杂使EFn位于导带中,p区重掺杂使EFp位于价带中,画出这种二极管在零偏时的能带图,并说明外加正偏或反偏时,能带将如何变化? 9.隧道二极管与一般p-n二极管的伏-安特性有什么不同?它有什么优点?,
