半导体物理与器件q 1995年，K. K. Ng在半导体器件指南一书中，定义了 67种主要的半导体器件及其相关的110多个变种。然而， 所有这些器件都只由以下的少数几种器件单元组成。半导体物理与器件第七章pn结 mpn结的基本结构及重要概念 mpn结零偏下的能带图 mpn结空间电荷区的形成 mpn结内建电势差和空间电荷区的内建电场 m外加偏压下pn结空间电荷区的变化 m反偏pn结电容势垒电容的概念 m突变结与缓变结半导体物理与器件mpn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。 因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特 性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件 的学习是特殊重要的。在pn结基本结构和原理 的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重 要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的 ，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本 性质。 m重点概念：空间电荷区、耗尽区、势垒区、内 建电场、内建电势差、反偏、势垒电容等等 m分析pn结模型的基础：载流子浓度、费米能级 、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输 运方程半导体物理与器件固体物理量子力学 统计物理能带理论平衡半导体载流子输运非平衡半导体pn结MS结异质结双 极 晶 体 管pn结二极管肖特基二极管欧姆接触JFET、 MESFET、 MOSFET、 HEMTm从物理到器件半导体物理与器件7.1 pn结的基本结构若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则 会在P 型区和N 型区的交界面附近形成pn 结，它的行 为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的串联 。这种结构具有特殊的性质：单向导电性。PN 结是许 多重要半导体器件的核心。半导体物理与器件qPN结的制备方法： （1）合金法制备突变pn结； （2）扩散法制备缓变pn结； （3）外延、离子注入等；N(x)xxjNANDN(x)xxjNANDn-SiSiO2n-Si杂质扩散n-Sisubp-Sin-Si半导体物理与器件qpn结的空间电荷区和内建电场浓 度 差多 子 扩 散杂质 离子 形成 空间 电荷 区内建电场阻止多子的进一 步扩散促进少子的漂移动态平衡 （零偏）半导体物理与器件由于PN结两侧存在着电子和空穴的浓度梯度，因此 电子和空穴将分别由N型区和P型区向对方区域扩散， 同时在N型区中留下固定的带正电荷的施主离子，在P 型区中则留下固定的带负电荷的受主离子。这个固定 的正负电荷区即为空间电荷区，空间电荷区中将形成 内建电场，内建电场引起载流子的漂移运动，载流子 的漂移运动与载流子的扩散运动方向相反，最后二者 达到平衡。由于空间电荷区中的可动载流子基本处于耗尽状 态，因此空间电荷区也称作耗尽区。半导体物理与器件pn结指p型半导体和n型半导体形成的界面，显然该界面 实际为包括整个空间电荷区在内的空间区域。而空间电荷 区之外的部分，则和独立的掺杂半导体性质相同，不属于 pn结的区域。pn Vs. pn结二极管半导体物理：半导 体器件基本耗尽的意思是：载流子浓度和杂质 浓度差别巨大（数量级的差别）在热平衡pn结的任何区域（包括空间电 荷区）；n0p0=ni2成立；半导体物理与器件7.2 零偏（热平衡）pn结mp型半导体与n型半导体的能带图 mpn结的能带图 m内建电势差EcEvEFiEFEcEvEFiEF半导体物理与器件q在达到平衡状态的PN结空间电荷区中存在一个内 建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了 一个内建电势差，从能带图的角度来看在N型区 和P型区之间建立了一个内建势垒，该内建势垒 的高度为：内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴 与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。 由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作势 垒区半导体物理与器件对于平衡状态的pn结我们有：参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：注意Nd、Na分别 表示N区和P区内 的有效施主掺杂浓 度和有效受主掺杂 浓度接触电势差的大小 直接和杂质浓度、 本征载流子浓度、 以及热电压（温度 及分布）相关。对照：费米能级和 掺杂以及温度的关 系半导体物理与器件q电场强度pn+-E-xpxneNdeNa内建电场由空间电荷区的电荷所产生 ，电场强度的大小和电荷密度的关系 由泊松方程确定：其中为电势，E为电场强度，为电 荷密度，s为介电常数。 从图可知，电荷密度(x)为：耗尽区假设半导体物理与器件则p侧空间电荷区内电场可以积分求得：边界条件：x=-xp时，E=0相应，n侧空空间电荷区电场：边界条件：x=xn时，E=0半导体物理与器件p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连 续，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0E因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有 关系：空间电荷区整 体保持电中性空间电荷区主 要向低掺杂一 侧延伸半导体物理与器件根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势 ：确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=xp处的电势为 0，则可确定积分常数值C1和p区内的电势值为：半导体物理与器件同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式可求出：半导体物理与器件pp0np0nn0pn0-xpxnx=0Epn=0=Vbi电势和距离是二 次函数关系，即 抛物线关系空间电荷区内的 载流子浓度变化显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出 ：半导体物理与器件q空间电荷区宽度pn+-xp+xn由整体的电中性条件要求，我们已经 知道：将该式代入用电势公式求出的Vbi式，可得到：例7.2空间电荷区 宽度与掺杂 浓度有关半导体物理与器件单边突变结：一侧高掺杂， 而另一侧低掺杂的突变结p+n或pn+单边突变结空间电荷区 主要向轻掺杂一侧扩展单边突变结的势垒主要 降落在轻掺杂一侧半导体物理与器件m热平衡状态下pn结处存在着空间电荷区和接触电势差 m内建电场从n区空间电荷区边界指向p区空间电荷区， 内建电场在p、n交界处最强 m因为是热平衡状态，p区、n区及空间电荷区内具有统 一的费米能级 m空间电荷区内的漂移电流和扩散电流向平衡，无宏观 电流。 mp、n两侧的空间电荷总数量相等，对外部保持整体的 电中性 m空间电荷区内无（几乎）自由载流子、因而又称为耗 尽区； m空间电荷区内形成内建电场，表现为电子的势垒，因 而又称为势垒区 m空间电荷区的宽度与掺杂浓度密切相关半导体物理与器件pnpn-xpxnx=0Ec EF EFiEv-+EeVbi-xpxnEMax半导体物理与器件这一关系给出了内建电势差在p、n 两侧的分配关系。这也解释了为什么对于 单边突变结（p+n或pn+)来说，电压主要降 落在轻掺杂一侧。 外加电压同样会分配在pn结两侧， 其分配比例不变。因为在同样的耗尽假设下，求解泊松方程 的过程是完全相同的，只是将整个电场积 分后的电势差Vbi代换为Vbi-Vapp