半導(dǎo)體物理學(xué)pn結(jié)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)pn結(jié)結(jié)第1頁/共127頁第2頁/共127頁第3頁/共127頁在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半型半導(dǎo)體和導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了的交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。其中，最簡單的晶體二極管就是由其中，最簡單的晶體二極管就是由PN結(jié)構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)成的。PN第4頁/共127頁料組成的結(jié)料組成的結(jié)異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)第5頁/共127頁第6頁/共127頁圖6-2圖6-3合金法合金法第7頁/共127頁圖6-4擴(kuò)散法擴(kuò)

2、散法離子注入法離子注入法第8頁/共127頁. . , ,子要作漂移運(yùn)動(dòng)子要作漂移運(yùn)動(dòng). .第9頁/共127頁 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 在半導(dǎo)體基片上分別制造N型和P型兩種半導(dǎo)體。經(jīng)過載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng),兩運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，由離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。第10頁/共127頁1PN結(jié)的形成結(jié)的形成 第11頁/共127頁第12頁/共127頁漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷

3、區(qū)的厚度固定不變。的厚度固定不變。第13頁/共127頁+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)電位電位VV0第14頁/共127頁第15頁/共127頁第16頁/共127頁第17頁/共127頁第18頁/共127頁熱平衡條件PNHolevESilicon (p-type)Silicon (n-type)cEiEfEcEfEiEvE第19頁/共127頁熱平衡條件第20頁/共127頁第21頁/共127頁第22頁/共127頁P(yáng)NPN結(jié)的內(nèi)建電結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜勢(shì)決定于摻雜濃度濃度N ND D、N NA A、材料禁帶寬度材料禁帶寬度以及工作溫度以及工作溫度第23頁/共127頁020lnlnnDADpi

4、nN NkTkTVenen第24頁/共127頁圖圖6-8電勢(shì)電勢(shì)電子勢(shì)能電子勢(shì)能(能帶能帶)第25頁/共127頁)()(xqVExECCCCpExExx)(,DCCnqVExExx)(,kTxqVpkTExqVECeneNxnFC)(0)()(kTxqVpkTxqVEEVepeNxpVF)(0)()()()(xqVExEVV第26頁/共127頁00 pppxxnnpp00 nnnxxnnpp0000 DDeVeVkTkTpnnpnn epp e( )( )00( ) ( )npeV xeV xkTkTppxxxn xn ep xp e第27頁/共127頁圖6-9第28頁/共127頁第29頁/共

5、127頁Step Junction第30頁/共127頁第31頁/共127頁第32頁/共127頁= =FFdEdEJnJpdxdx第33頁/共127頁F= =FdEdEJnJpdxdx第34頁/共127頁第35頁/共127頁. .圖6-10第36頁/共127頁. .00()() eVkTppeVkTnnnxn ep xp e第37頁/共127頁正向偏壓下非平正向偏壓下非平衡少子的分布衡少子的分布第38頁/共127頁. . 類似地類似地, , 可討論電子電流的可討論電子電流的變化變化: :第39頁/共127頁第40頁/共127頁FFEEeV第41頁/共127頁圖6-13第42頁/共127頁00()

6、()eVkTppeVkTnnnxn ep xp e第43頁/共127頁第44頁/共127頁第45頁/共127頁FFEEe V第46頁/共127頁第47頁/共127頁圖6-14第48頁/共127頁第49頁/共127頁第50頁/共127頁第51頁/共127頁第52頁/共127頁第53頁/共127頁第54頁/共127頁第55頁/共127頁第56頁/共127頁npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD.0.02222第57頁/共127頁0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22第58頁/共127頁P(yáng)N)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNn

7、xnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn第59頁/共127頁1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)第60頁/共127頁第61頁/共127頁第62頁/共127頁-xp xn0pnnppdxpdD220 xX1)0(0)(/2kTqVDinnAeNnxpxp第63頁/共127頁P(yáng)PPLxLxnDLeAeAxpPP,) (/ 2/ 1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/ /2/ /21) (01) (第64頁/共127頁NANALxkTqVAiNNp

8、NNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/ /2/ /21 ) (0 1) (第65頁/共127頁1)()(/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII第66頁/共127頁0()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne 第67頁/共127頁00( )()(1)( )()(1)eVkTnXnneVkTpXppeDd p xJxeDpedxLeDd n xJxeDnedxL 第68頁/共127頁00()()(1)

9、eVkTnpSSnpJJxJxJeeDeDJpnLL第69頁/共127頁 pn junction diode第70頁/共127頁. .第71頁/共127頁伏安特性伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅管硅管0.60.7V,鍺管鍺管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR第72頁/共127頁第73頁/共127頁第74頁/共127頁第75頁/共127頁第76頁/共127頁第77頁/共127頁第78頁/共127頁加，勢(shì)壘高度增加加，勢(shì)壘高度增加空間電荷空間電荷增加增加第79頁/共127頁圖6-19(c)第80頁/共127頁C CD D都是微

10、分電容都是微分電容: : C=dQ/dV C=dQ/dV第81頁/共127頁第82頁/共127頁第83頁/共127頁勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)能帶能帶空間電荷分布空間電荷分布矩形近似矩形近似第84頁/共127頁000ADMpnQeNeNEXX220( )d Vxdx 第85頁/共127頁空間電荷空間電荷電場(chǎng)電場(chǎng)第86頁/共127頁電勢(shì)電勢(shì)能帶能帶第87頁/共127頁1202()DADDANNdVeN N1202()()DADDANNdVVeN N第88頁/共127頁1202()DBVVdeN第89頁/共127頁P(yáng)+-n結(jié)結(jié)第90頁/共127頁1202()()DATDADeN NCdQAdVNNVV0TCAd

11、1/21()TDCVV第91頁/共127頁120002()BTDBeNCAVVXd第92頁/共127頁 ( ) ( )DpppxnxpDnnnCdQQp x edxAdVCdQQn x edxAdV第93頁/共127頁0()(), ()(1)nx xeVLkTnnnp xp xep xpe 0( )(), ()(1)Px xeVLkTpppn xnxenxne 第94頁/共127頁2200()eVDppDnnDkTCe n LCe p LCeAAAkTkT第95頁/共127頁第96頁/共127頁第97頁/共127頁第98頁/共127頁圖6-29第99頁/共127頁又隨電壓而上升又隨電壓而上升第

12、100頁/共127頁圖6-27第101頁/共127頁第102頁/共127頁第103頁/共127頁第104頁/共127頁第105頁/共127頁第106頁/共127頁第107頁/共127頁第108頁/共127頁第109頁/共127頁(1)eVkTLFLSIIIIIe00SnpeDeDJpnLLln(1)LOCSIkTVeI第110頁/共127頁第111頁/共127頁第112頁/共127頁第113頁/共127頁第114頁/共127頁第115頁/共127頁第116頁/共127頁第117頁/共127頁 發(fā)光二極管(LED)是一種p-n結(jié)，它能在紫外光、可見光或紅外光區(qū)域輻射自發(fā)輻射光?？梢姽釲ED被大量

13、用于各種電子儀器設(shè)備與使用者之間的信息傳送。而紅外光IED則應(yīng)用于光隔離及光纖通訊方面。 由于人眼只對(duì)光子能 量 h 等 于 或 大 于1.8eV(0.7m)的光線感光，因此所選擇的半導(dǎo)體，其禁帶寬度必須大于此極限值。右圖標(biāo)示了幾種半導(dǎo)體的禁帶寬度值。可見光發(fā)光二極管：可見光發(fā)光二極管：人眼的相對(duì)靈敏度FWHMm555. 0m紅外紅綠紫紫外橙黃藍(lán)SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1PGaAs人眼的相對(duì)靈敏度FWHMm555. 0m紅外紅綠紫紫外橙黃藍(lán)SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnSyy- 1PGaAs2 . 16 . 10 . 24 . 28 .

14、22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE2 . 16 . 10 . 24 . 28 . 22 . 36 . 30 . 18 . 07 . 06 . 05 . 045. 04 . 035. 0m/eV/gE圖 8.6 常作為可見光LED 的半導(dǎo)體. 途中還表示了人眼的相對(duì)靈敏度發(fā)光二極管第118頁/共127頁圖10-29第119頁/共127頁下表列出了用來在可見光與紅外光譜區(qū)產(chǎn)生光源的半導(dǎo)體。 在所列出的半導(dǎo)體材料中，對(duì)于可見光LED而言，最重要的是GaAs1-yPy與GaxIn1-xN合金的-V族化合物系統(tǒng)。發(fā)光二極管

15、材材 料料波長波長nmInAsSbPInAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800GaxIn1-xAs1-yPy11001600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs: Er, InP: Er1540Si: C1300GaAs: Yb, InP: Yb1000AlxGa1-xAs: Si650940GaAs: Si940Al0.11Ga0.89As: Si830Al0.4Ga0.6As: Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-

16、x)0.5In0.5P655GaP690GaP: N550570GaxIn1-xN340, 430, 590SiC400460BN260, 310, 490第120頁/共127頁圖(b)則是以磷化鎵為襯底制造的發(fā)橙、黃或綠光的間接禁帶冪LED,用外延方法生長的緩變型GaAs1-yPy合金層用來使界面間因晶格不匹配所導(dǎo)致的非輻射性中心減至最小。 下圖是平面二極管架構(gòu)的可見光LED的基本結(jié)構(gòu)圖。其中圖(a)的截面圖是以砷化鎵為襯底制造的發(fā)紅光的直接禁帶LED。AGaAsPGaAspnB)4 . 00(PGaAsyy- 1y緩變合金發(fā)射光子C)(a吸收光子AGaAsPGaAspnB)4 . 00(P

17、GaAsyy- 1y緩變合金發(fā)射光子C)(a吸收光子發(fā)射光子緩變合金yy- 1PGaAsGaPyy- 1PGaAspn反射接觸2SiO)(b發(fā)射光子緩變合金yy- 1PGaAsGaPyy- 1PGaAspn反射接觸2SiO)(b圖 8.9 平面二極管 LED 的基本結(jié)構(gòu)以及(a) 不透明襯底( )與(b) 透明襯底(GaP)對(duì) p-n 結(jié)光子發(fā)射的效應(yīng)yy- 1PGaAs發(fā)光二極管第121頁/共127頁 目 前 最 有 希望的材料是氮化鎵(Eg=3.44eV)和相關(guān)的-V族氮化物半導(dǎo)體，如AlGaInN，其直接禁 帶 范 圍 由1.95eV至6.2eV。 至于高亮度的藍(lán)光LED(0.455ym

18、-0.492Pm)方面，已經(jīng)被研究的材料有：-族化合物的硒化鋅(ZnSe)，-族氮化物半導(dǎo)體的氮化鎵(GaN)、-IV族化合物的碳化硅(SiC)然而，-的壽命太短，以致至今尚不能商品化；碳化硅也因其為間接禁帶，致使其發(fā)出的藍(lán)光亮度太低，也不具吸引力。 發(fā)光二極管Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p- 1 xx)N(InGa- 1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底Ni/Aup型電極光傳輸電極Ti/Aln型電極Ni/Aup型電極GaN-pNGaAl-p- 1 xx)N(InGa- 1未摻雜xxGaN-nAlN-n藍(lán)寶石襯底Ni/Aup型電極光傳輸電極Ti/Aln型電極第122頁/共127頁 雖然沒有晶格相匹配的襯底可供GaN生長，但是低溫生長的AlN做緩沖層，即可在藍(lán)寶石(Al2O3)上生長高品質(zhì)的GaN。右圖即為生長在藍(lán)寶石襯底上的-族氮化物L(fēng)ED。 因?yàn)樗{(lán)寶石襯底是絕緣體，所以p型與n型的歐姆接觸都必須形成在上表面。藍(lán)光產(chǎn)生于GaxIn1-xN區(qū)域的輻射性復(fù)合作用，而Ga