1、微电子器件基础,第 1 章 PN 结,第 1 章 PN 结,1.1 平衡PN结 1.2 空间电荷区的电场和电势分布 1.3 过渡区电容和扩散电容,1.1 平衡PN结,PN 结含义：在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在二者交界面的过渡区即称为PN结。,1.1 平衡PN结,1.1.1 内建电场和内建电势1、突变结单边突变结PN结NP结,1.1 平衡PN结,1.1.1 内建电场和内建电势2、平衡PN结能带图,1.1 平衡PN结,1.1.1 内建电场和内建电势2、平衡PN结能带图VD : 接触电势差
2、 空间电荷区又称 势垒区 耗尽层,1.1 平衡PN结,由此可求VD,3、内建电势差,1.1.1 内建电场和内建电势,1.1 平衡PN结,式中 NA：P区掺杂浓度； ND：N区掺杂浓度ni ：本征载流子浓度,对于锗PN结，通常可取VD=0.30.4V对于硅PN结，通常可取 VD=0.60.7V,1.1.1 内建电场和内建电势,热电压,1.1 平衡PN结,1.1.2 耗尽近似耗尽近似假定空间电荷区内载流子全部耗尽，离化杂质中心提供空间电荷，空间电荷的分布在边界上突变过渡。在耗尽近似下，边界区被忽略，空间电荷区内载流子全部耗尽，因而提到PN结时，空间电荷区以及耗尽区两术语可交替使用。,1.1 平衡P
3、N结,1.1.3 准中性近似缓变结,1.1 平衡PN结,1.1.3 准中性近似缓变结近似 缓变PN结附近杂质浓度的两种近似处理方法 A线性缓变结近似 B突变结近似,1.1 平衡PN结,1.1.3 准中性近似缓变结近似 A线性缓变结近似适用于表面杂质浓度较低、结深较深的缓变结,1.1 平衡PN结,PN结的类型缓变结近似B突变结近似适用于表面杂质浓度较高、结深较浅的缓变结,1.1 平衡PN结,1.1.3 准中性近似,缓变杂质分布区的内建电场,1.2 空间电荷区的电场和电势分布,空间电荷区几个基本概念：空间电荷 空间电荷区 内建电场 内建电势差VD,1.2 空间电荷区的电场和电势分布,均匀掺杂pn结
4、空间电荷区的电场,1.2 空间电荷区的电场和电势分布,突变结,当-xp x 0时,当0 x xn时,1.2 空间电荷区的电场和电势分布,均匀掺杂pn结空间电荷区的电势,1.2 空间电荷区的电场和电势分布,当-xp x 0时,当0 x xn时,1.3 过渡区电容和扩散电容,PN结电容,过渡区电容 （势垒电容）,扩散电容,1.3 过渡区电容CT和扩散电容CD,1.3.1 过渡区电容 一、过渡区电容的来源当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电，这就是PN结过渡区电容，亦称势垒电容。,1.3 过渡区电容和扩散电容,二、突变结势垒电容计算,三、线性缓变结势垒
5、电容计算,1.3 过渡区电容和扩散电容,四、势垒电容的讨论（1）PN结势垒电容和平板电容的不同，是非线性电容 （2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应 （3）PN结势垒电容与外加电压有关正偏电压越高，电容越大。反偏电压越高，电容越小。 （4）PN结势垒电容与外加电压的关系与PN结的杂质分布有关 （5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与实际值接近，而正偏下计算的CT则误差较大,1.3 过渡区电容和扩散电容,1.3.2 PN结扩散电容 一、定义正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为“扩散电容” 。当PN结外加正向偏压V，在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当V升高，注入的“少子”电荷增多。相当于电容“充电”；当V降低，注入的“少子”电荷减少，相当于电容“放电”。,1.3 过渡区电容和扩散电容,1.3 过渡区电容和扩散电容,二、扩散电容计算,设扩散区内，非平衡载流子的分布近似为线性分布。则LP内的总电荷为 ：,同理，在Ln内 ：,习题,1.硅突变结的掺杂浓度为Na=2 1016cm-3，Nd=2 1015cm-3，温度为T=300K。计算（a）Vbi，（b）VR=0与VR=8V时的W，（c）VR=0与VR=8V时的最大电场。,
