半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件

半導(dǎo)體物理

SEMICONDUCTORPHYSICS半導(dǎo)體物理

SEMICONDUCTORPHYSICS1第六章p-n結(jié)

§1p-n結(jié)及其能帶圖

§2p-n結(jié)的電流電壓特性

§3p-n結(jié)電容

§4p-n結(jié)擊穿

§5p-n結(jié)隧道效應(yīng)第六章p-n結(jié)§1p-n結(jié)及其能帶圖2半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件3§6.1p-n結(jié)及其其能帶圖

(1)

p-n結(jié)的形成

(2)

p-n結(jié)的基本概念

§6.1p-n結(jié)及其其能帶圖(1)

46.1pn結(jié)及其能帶圖6.1.1pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分析在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。其中，最簡(jiǎn)單的晶體二極管就是由PN結(jié)構(gòu)成的。PN6.1pn結(jié)及其能帶圖6.1.1pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分析在5

★p-n結(jié)的形成p-n結(jié)的形成?控制同一塊半導(dǎo)體的摻雜,形成pn結(jié)(合金法;擴(kuò)散法;離子注入法等)?在p(n)型半導(dǎo)體上外延生長(zhǎng)n(p)型半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)?由導(dǎo)電類型相反的同一種半導(dǎo)體單晶材料組成的pn結(jié)--同質(zhì)結(jié)?由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料組成的結(jié)—異質(zhì)結(jié)★p-n結(jié)的形成6工藝簡(jiǎn)介:?合金法—合金燒結(jié)方法形成pn結(jié)?擴(kuò)散法—高溫下熱擴(kuò)散,進(jìn)行摻雜?離子注入法—將雜質(zhì)離子轟擊到半導(dǎo)體基片中摻雜分布主要由離子質(zhì)量和注入離子的能量決定（典型的離子能量是30-300keV,注入劑量是在1011-1016離子數(shù)/cm2范圍），用于形成淺結(jié)雜質(zhì)分布的簡(jiǎn)化:?突變結(jié)?線性緩變結(jié)工藝簡(jiǎn)介:7圖6-2圖6-3合金法圖6-2圖6-3合金法8圖6-4擴(kuò)散法離子注入法圖6-4擴(kuò)散法離子注入法9

★p-n結(jié)的基本概念①空間電荷區(qū):

?在結(jié)面附近,由于存在載流子濃度梯度,導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散.?擴(kuò)散的結(jié)果:在結(jié)面附近,出現(xiàn)靜電荷--空間電荷(電離施主,電離受主).

?空間電荷區(qū)中存在電場(chǎng)--內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)的方向:n→p.在內(nèi)建電場(chǎng)作用下,載流子要作漂移運(yùn)動(dòng).★p-n結(jié)的基本概念10

PN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(guò)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)。

111．PN結(jié)的形成

1．PN結(jié)的形成12①擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界面（接觸界）兩側(cè)多子和少子的濃度有很大差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴也向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。②漂移運(yùn)動(dòng)——在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)，PN結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成電荷區(qū)，（或稱阻擋層，耗盡區(qū)等），在空間電荷區(qū)形成的內(nèi)部形成電場(chǎng)的作用下，少子會(huì)定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移，即N區(qū)空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)13漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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，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)的厚度固定不變。漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－14－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++15③空間電荷區(qū)——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。（見下一頁(yè)的示意圖）④內(nèi)部電場(chǎng)——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)E，這一內(nèi)部電場(chǎng)的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。⑤耗盡層——在無(wú)外電場(chǎng)或外激發(fā)因素時(shí)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡沒有電流，內(nèi)部電場(chǎng)E為恒定值，這時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層。半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件16半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件17半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件18②平衡p-n結(jié)及其能帶圖:

?當(dāng)無(wú)外加電壓,載流子的流動(dòng)終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡(漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的效果相抵消,電荷沒有凈流動(dòng)),p-n結(jié)有統(tǒng)一的EF(平衡pn結(jié))

?

結(jié)面附近,存在內(nèi)建電場(chǎng),造成能帶彎曲,形成勢(shì)壘區(qū)(即空間電荷區(qū)).②平衡p-n結(jié)及其能帶圖:19熱平衡條件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)熱平衡條件PNHoleSilicon(p-type)Sil20熱平衡條件熱平衡條件21半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件22內(nèi)建電勢(shì)內(nèi)建電勢(shì)23內(nèi)建電勢(shì)PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度內(nèi)建電勢(shì)PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬24③接觸電勢(shì)差:

?pn結(jié)的勢(shì)壘高度—eVD

接觸電勢(shì)差—VD

?

對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,飽和電離近似,接觸電勢(shì)為:

?VD與二邊摻雜有關(guān),

與Eg有關(guān)③接觸電勢(shì)差:25圖6-8電勢(shì)電子勢(shì)能(能帶)圖6-8電勢(shì)電子勢(shì)能(能帶)26④平衡p-n結(jié)的載流子濃度分布:

?

當(dāng)電勢(shì)零點(diǎn)取x=-xp處,則有:

?勢(shì)壘區(qū)的載流子濃度為:④平衡p-n結(jié)的載流子濃度分布:27即有:即有:28圖6-9圖6-929平衡p-n結(jié)載流子濃度分布的基本特點(diǎn):?同一種載流子在勢(shì)壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼關(guān)系?處處都有n?p=ni2?勢(shì)壘區(qū)是高阻區(qū)(常稱作耗盡層)平衡p-n結(jié)載流子濃度分布的基本特點(diǎn):30StepJunctionStepJunction31§6.2p-n結(jié)的電流電壓特性(1)

dEF/dx與電流密度的關(guān)系

(2)

正向偏壓下的p-n結(jié)

(3)

反向偏壓下的p-n結(jié)

(4)理想p-n結(jié)

(5)

伏安特性

§6.2p-n結(jié)的電流電壓特性(1)

32半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件33★dEF/dx與電流密度的關(guān)系EF隨位置的變化與電流密度的關(guān)系熱平衡時(shí),EF處處相等,p-n結(jié)無(wú)電流通過(guò)(動(dòng)態(tài)平衡).當(dāng)p-n結(jié)有電流通過(guò),EF就不再處處相等.且,電流越大,EF隨位置的變化越快.

★dEF/dx與電流密度的關(guān)系34總之:①是否有電荷流動(dòng),并不僅僅取決于是否存在電場(chǎng)②當(dāng)電流密度一定時(shí),dEF/dx與載流子濃度成反比③上述討論也適用于電子子系及空穴子系

(用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)取代費(fèi)米能級(jí)):總之:35半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件36★正向偏壓下的p-n結(jié)①勢(shì)壘:

?外電壓主要降落于勢(shì)壘區(qū)

?加正向偏壓V,勢(shì)壘高度下降為

e(VD-V),

勢(shì)壘區(qū)寬度減少.圖6-10★正向偏壓下的p-n結(jié)①勢(shì)壘:圖6-1037②非平衡子的電注入:?正向偏壓下,勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)減少載流的擴(kuò)散流>漂移流非平衡子電注入形成少子擴(kuò)散區(qū).(外加正向偏壓增大,非平衡子電注入增加)?邊界處的載流子濃度為:?穩(wěn)態(tài)時(shí),擴(kuò)散區(qū)內(nèi)少子分布也是穩(wěn)定的.②非平衡子的電注入:38正向偏壓下非平衡少子的分布正向偏壓下非平衡少子的分布39③電流:?在體內(nèi),電流是多子漂流電流?在少子擴(kuò)散區(qū),多子電流主要是漂流電流;少子電流是擴(kuò)散電流?討論空穴電流的變化:在電子擴(kuò)散區(qū),空穴(多子)邊漂移邊與電子復(fù)合;勢(shì)壘區(qū)很薄,勢(shì)壘區(qū)中空穴電流可認(rèn)為不變;在空穴擴(kuò)散區(qū),空穴(少子)邊擴(kuò)散邊與電子復(fù)合.?類似地,可討論電子電流的變化:③電流:40穩(wěn)態(tài)下,通過(guò)任一截面的總電流是相等的J=J++J-

=J+(xn)+J-

(-xp)

?綠色:

漂移電流.

?紫色:

擴(kuò)散電流.穩(wěn)態(tài)下,通過(guò)任一截面的總電流是相等的41④準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí):EF-,EF+在勢(shì)壘區(qū),擴(kuò)散區(qū),電子和空穴有不同的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí):?在擴(kuò)散區(qū),可認(rèn)為多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)保持不變?在勢(shì)壘區(qū),近似認(rèn)為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)保持不變?在擴(kuò)散區(qū),少子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與位置有關(guān),且有:④準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí):EF-,EF+42圖6-13圖6-1343★反向偏壓下的p-n結(jié)①勢(shì)壘高度:e(VD+|V|)②非平衡子的電抽取:(也形成少子擴(kuò)散區(qū))★反向偏壓下的p-n結(jié)①勢(shì)壘高度:e(VD+|V|44半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件45半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件46③電流:

仍有J=J++J-=J+(xn)+J-

(-xp)?正向偏壓時(shí)，在少子擴(kuò)散區(qū),少子復(fù)合率>產(chǎn)生率(非平衡載流子注入);反向時(shí),產(chǎn)生率>復(fù)合率(少數(shù)載流子被抽取)?反向時(shí),少子濃度梯度很小反向電流很?、軠?zhǔn)費(fèi)米能級(jí):

在勢(shì)壘區(qū)③電流:47半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件48圖6-14圖6-1449半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件50★理想p-n結(jié)理想p-n結(jié):

?①小注入條件

?②突變結(jié),耗盡層近似—可認(rèn)為外加電壓全降落于耗盡層①+②在擴(kuò)散區(qū),少子電流只需考慮擴(kuò)散

?③忽略耗盡層中的產(chǎn)生,復(fù)合

通過(guò)耗盡層時(shí),可認(rèn)為電子電流和空穴電流均保持不變

?④玻耳茲曼邊界條件

★理想p-n結(jié)理想p-n結(jié):51★伏安特性定性圖象

?正向偏壓下,勢(shì)壘降低,非平衡少子注入,正向電流隨正向電壓的增加很快增加.

?反向偏壓下,勢(shì)壘升高,非平衡少子被抽取,反向電流很小,并可達(dá)到飽和.★伏安特性定性圖象52半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件53半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件54理想二極管方程PN結(jié)正偏時(shí)理想二極管方程PN結(jié)正偏時(shí)55理想二極管方程PN結(jié)反偏時(shí)理想二極管方程56定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動(dòng)。空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度,不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生—復(fù)合作用。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過(guò)渡區(qū)上。定量方程基本假設(shè)57準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況穩(wěn)態(tài)時(shí),假設(shè)GL=0邊界條件:圖6.4歐姆接觸邊界耗盡層邊界準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況穩(wěn)態(tài)時(shí),假設(shè)GL=058邊界條件歐姆接觸邊界耗盡層邊界(pn結(jié)定律)邊界條件歐姆接觸邊界59耗盡層邊界P型一側(cè)PN耗盡層邊界P型一側(cè)PN60耗盡層邊界(續(xù))N型一側(cè)耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)耗盡層邊界(續(xù))N型一側(cè)耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與61準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度62理想二極管方程求解過(guò)程準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二極管方程求解過(guò)程63理想二極管方程(1)新的坐標(biāo):邊界條件:-xpxn0xX’理想二極管方程(1)新的坐標(biāo):-xpxn64空穴電流一般解空穴電流一般解65電子電流P型側(cè)電子電流P型側(cè)66PN結(jié)電流PN結(jié)電流67

①少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:

?空穴擴(kuò)散區(qū)

?電子擴(kuò)散區(qū)①少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:68②少子擴(kuò)散電流:

邊界處的少子擴(kuò)散電流為②少子擴(kuò)散電流:69③J~V特性:③J~V特性:70pnjunctiondiodepnjunction71④對(duì)JV特性的說(shuō)明:

?單向?qū)щ娦?反向飽和電流Js

?溫度的影響:T↑,Js很快增加

?單邊突變結(jié):Js的表達(dá)式中只有一項(xiàng)起主要作用只需考慮一邊的少子擴(kuò)散

?正向?qū)妷?Eg越大的材料,具有更大的正向?qū)妷?④對(duì)JV特性的說(shuō)明:72伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:73半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件74與理想情況的偏差大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合與理想情況的偏差大注入效應(yīng)75★p-n結(jié)擊穿現(xiàn)象:

對(duì)p-n結(jié)施加反向偏壓時(shí),當(dāng)反向偏壓增大到某一數(shù)值時(shí),反向電流密度突然開始迅速增大.

發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓--p-n結(jié)的擊穿電壓.p-n結(jié)擊穿的基本原因:

載流子數(shù)目的突然增加.★p-n結(jié)擊穿現(xiàn)象:76擊穿機(jī)理:

?雪崩擊穿—強(qiáng)電場(chǎng)下的碰撞電離,使載流子倍增?隧道擊穿—大反向偏壓下,隧道貫穿使反向電流急劇增加

?熱電擊穿—不斷上升的結(jié)溫,使反向飽和電流持續(xù)地迅速增大擊穿機(jī)理:77

§3p-n結(jié)電容

(1)

電容效應(yīng)

(2)

突變結(jié)的空間電荷區(qū)

(3)

突變結(jié)勢(shì)壘電容

(4)擴(kuò)散電容

§3p-n結(jié)電容(1)

電容效78PN結(jié)電容PN結(jié)電容79★電容效應(yīng)p-n結(jié)有存儲(chǔ)和釋放電荷的能力。①勢(shì)壘電容CT

—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，勢(shì)壘區(qū)的空間電荷相應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng).?當(dāng)p-n結(jié)上外加的正向電壓增加，勢(shì)壘高度降低空間電荷減少?當(dāng)p-n結(jié)上外加的反向電壓增加，勢(shì)壘高度增加空間電荷增加★電容效應(yīng)p-n結(jié)有存儲(chǔ)和釋放電荷的能力。80圖6-19(c)圖6-19(c)81②擴(kuò)散電容

CD

—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng).?當(dāng)正向偏置電壓增加，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加?在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不大,擴(kuò)散電容可忽略p-n結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化--CT

和CD都是微分電容:C=dQ/dV②擴(kuò)散電容CD82擴(kuò)散電容

CD擴(kuò)散電容CD83★突變結(jié)的空間電荷區(qū)①耗盡層近似下的空間電荷:

突變結(jié)+雜質(zhì)完全電離+耗盡近似的條件下，勢(shì)壘區(qū)中電離雜質(zhì)組成空間電荷勢(shì)壘寬度:d=Xp+Xn勢(shì)壘區(qū)中正負(fù)電荷總量相等：

|Q|=eNAXp=eNDXn★突變結(jié)的空間電荷區(qū)①耗盡層近似下的空間電荷:84勢(shì)壘區(qū)能帶空間電荷分布矩形近似勢(shì)壘區(qū)能帶空間電荷分布矩形近似85

②電場(chǎng):?泊松方程：?

E=-(dV/dx)+C?在x=0處,內(nèi)建電場(chǎng)數(shù)值達(dá)到極大

③電勢(shì):拋物線分布②電場(chǎng):86空間電荷電場(chǎng)空間電荷電場(chǎng)87電勢(shì)能帶電勢(shì)能帶88

④空間電荷區(qū)寬度:

?平衡p-n結(jié)

?當(dāng)加外電壓V

④空間電荷區(qū)寬度:89

⑤單邊突變結(jié):?勢(shì)壘區(qū)主要在輕摻雜一邊

?

對(duì)p+-n結(jié),NB代表ND

?

對(duì)p-n+結(jié),NB代表NA⑤單邊突變結(jié):90P+-n結(jié)P+-n結(jié)91★突變結(jié)的勢(shì)壘電容反向偏壓下的突變結(jié)勢(shì)壘電容(單位面積):★突變結(jié)的勢(shì)壘電容反向偏壓下的突變結(jié)勢(shì)壘電容(單位面92幾點(diǎn)說(shuō)明:①p-n結(jié)的勢(shì)壘電容可以等效為一個(gè)平行板電容器,勢(shì)壘寬度即兩平行極板的距離②這里求得的勢(shì)壘電容,主要適用于反向偏置情況③單邊突變結(jié)的勢(shì)壘電容:幾點(diǎn)說(shuō)明:93★擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng).★擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，94

少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:

?在空穴擴(kuò)散區(qū)

?在電子擴(kuò)散區(qū)少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:95

PN結(jié)的單位面積微分?jǐn)U散電容為:

?擴(kuò)散電容在正向偏壓和低頻下起重要的作用.PN結(jié)的96§4p-n結(jié)的隧道效應(yīng)(1)p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)的隧道貫穿

(2)隧道結(jié)的I-V特性§4p-n結(jié)的隧道效應(yīng)(1)p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)的隧97

★隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)—能量低于勢(shì)壘的粒子有一定的幾率穿越勢(shì)壘.這是一種量子力學(xué)效應(yīng)

隧穿幾率與勢(shì)壘的高度有關(guān),與勢(shì)壘的厚度有關(guān).

隧道二極管—利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)★隧道效應(yīng)98★p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)的隧道貫穿隧道結(jié)—p-n結(jié),兩邊都是重?fù)诫s(簡(jiǎn)并情況),以至在p區(qū),EF進(jìn)入價(jià)帶;在n區(qū),EF進(jìn)入導(dǎo)帶.結(jié)果:

①n區(qū)的導(dǎo)帶底部與p區(qū)的價(jià)帶頂部在能量上發(fā)生交疊②勢(shì)壘十分薄電子可以隧道貫穿勢(shì)壘區(qū).★p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)的隧道貫穿隧道結(jié)—p-n結(jié),兩邊都是重99圖6-29圖6-29100

★隧道結(jié)的I-V特性正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升,達(dá)到一個(gè)極大,(峰值電流Ip,峰值電壓Vp)隨后,電壓增加,電流反而減少,達(dá)到一個(gè)極小,(谷值電流Iv,谷值電壓Vv)

在Vp到Vv的電壓范圍內(nèi),出現(xiàn)負(fù)阻特性.當(dāng)電壓大于谷值電壓后,電流又隨電壓而上升★隧道結(jié)的I-V特性101圖6-27圖6-27102

0點(diǎn)—平衡pn結(jié)

1點(diǎn)—正向電流迅速上升

2點(diǎn)—電流達(dá)到峰值半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件103

3點(diǎn)—隧道電流減少,出現(xiàn)負(fù)阻

4點(diǎn)--隧道電流等于05點(diǎn)—反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加3點(diǎn)—隧道電流減少,出現(xiàn)負(fù)阻104§5p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)(1)

p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)

(2)

光電池的伏安特性

§5p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)(1)

p-n105

★p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光,照射到非均勻半導(dǎo)體上,由于內(nèi)建場(chǎng)的作用,半導(dǎo)體內(nèi)部可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(光生電壓)--光生伏特效應(yīng)是內(nèi)建場(chǎng)引起的光電效應(yīng).光生載流子在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的內(nèi)建場(chǎng)的作用下,各自向相反方向運(yùn)動(dòng),使p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)(p端電勢(shì)升高,n端電勢(shì)降低).

★p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)106半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件107半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件108半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件109

★伏安特性光電池工作時(shí),電流可分成三股:

?

光照產(chǎn)生的載流子越過(guò)勢(shì)壘形成光生電流IL

?

光生電壓作用下的pn結(jié)正向電流IF

?

流經(jīng)外電路的負(fù)載電流I

光生電壓V★伏安特性110伏安特性:開路電壓Voc:I=0,短路電流ISC:V=0,IF=0,I=ISC=IL輸出功率:P=IV伏安特性:111半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件112半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件113半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件114附：Pn結(jié)作為光電器件的其他一些應(yīng)用

?

光電二極管（光伏型光電探測(cè)器）

?

發(fā)光二極管（pn結(jié)注入發(fā)光）

?

激光二極管（pn結(jié)正向注入）附：Pn結(jié)作為光電器件的其他一些應(yīng)用?光電二極管（光伏型115光電二極管（光伏型光電探測(cè)器）與光電池一樣，都是利用了p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng).

通常,工作時(shí)加反向偏壓--將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào).光電二極管（光伏型光電探測(cè)器）116半導(dǎo)體物理學(xué)第6章(pn結(jié))課件117

發(fā)光二極管（pn結(jié)電致發(fā)光）

pn結(jié)加正向偏壓，使系統(tǒng)處于非平衡態(tài)--注入非平衡載流子，這些非平衡載流子因復(fù)合而產(chǎn)生光輻射.發(fā)光二極管（pn結(jié)電致發(fā)光）118

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hν等于或大于1.8eV(λ≤0.7μm)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?？梢姽獍l(fā)光二極管：發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)是一種p-n結(jié)，它能在紫119圖10-29圖10-29120下表列出了用來(lái)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Ⅲ-V族化合物系統(tǒng)。發(fā)光二極管材料波長(zhǎng)／nmInAsSbP／InAs4200InAs3800GaInAsP/GaSb2000GaSb1800GaxIn1-xAs1-yPy1100~1600Ga0.47In0.53As1550Ga0.27In0.73As0.63P0.371300GaAs:Er,InP:Er1540Si:C1300GaAs:Yb,InP:Yb1000AlxGa1-xAs:Si650~940GaAs:Si940Al0.11Ga0.89As:Si830Al0.4Ga0.6As:Si650GaAs0.6P0.4660GaAs0.4P0.6620GaAs0.15P0.85590(AlxGa1-x)0.5In0.5P655GaP690GaP:N550~570GaxIn1-xN340,430,590SiC400~460BN260,310,490下表列出了用來(lái)在在所列出的半導(dǎo)體材料中，對(duì)于121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(zhǎng)的緩變型GaAs1-yPy合金層用來(lái)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。發(fā)光二極管圖(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L122

目前最有希望的材料是氮化鎵