半導(dǎo)體物理與器件

1995年，K.K.Ng在《半導(dǎo)體器件指南》一書中，定義了67種主要的半導(dǎo)體器件及其相關(guān)的110多個(gè)變種。然而，所有這些器件都只由以下的少數(shù)幾種器件單元組成。第七章 pn結(jié)pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及重要概念pn結(jié)零偏下的能帶圖pn結(jié)空間電荷區(qū)的形成pn結(jié)內(nèi)建電勢(shì)差和空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)外加偏壓下pn結(jié)空間電荷區(qū)的變化反偏pn結(jié)電容——?jiǎng)輭倦娙莸母拍钔蛔兘Y(jié)與緩變結(jié)pn結(jié)是大多數(shù)半導(dǎo)體器件都會(huì)涉及到的結(jié)構(gòu)。因而半導(dǎo)體器件的特性與工作過程同pn結(jié)的特性和原理密切相關(guān)。因而pn結(jié)對(duì)于半導(dǎo)體器件的學(xué)習(xí)是特殊重要的。在pn結(jié)基本結(jié)構(gòu)和原理的學(xué)習(xí)過程中，我們會(huì)遇到一些非?；竞椭匾母拍?，是以后的學(xué)習(xí)過程中會(huì)不斷提到的，因而一定要理解這些概念的物理涵義和基本性質(zhì)。重點(diǎn)概念：空間電荷區(qū)、耗盡區(qū)、勢(shì)壘區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、反偏、勢(shì)壘電容等等分析pn結(jié)模型的基礎(chǔ)：載流子濃度、費(fèi)米能級(jí)、電中性條件、載流子的漂移與擴(kuò)散、雙極輸運(yùn)方程固體物理量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理能帶理論平衡半導(dǎo)體載流子輸運(yùn)非平衡半導(dǎo)體pn結(jié)MS結(jié)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管pn結(jié)二極管肖特基二極管歐姆接觸JFET、MESFET、MOSFET、HEMT從物理到器件§7.1pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)若在同一半導(dǎo)體內(nèi)部，一邊是P型，一邊是N型，則會(huì)在P型區(qū)和N型區(qū)的交界面附近形成pn

結(jié)，它的行為并不簡(jiǎn)單等價(jià)于一塊P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)具有特殊的性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?。PN結(jié)是許多重要半導(dǎo)體器件的核心。PN結(jié)的制備方法：

（1）合金法制備突變pn結(jié)；

（2）擴(kuò)散法制備緩變pn結(jié)；

（3）外延、離子注入等；N(x)xxjNANDN(x)xxjNANDn-SiSiO2n-Si雜質(zhì)擴(kuò)散n-Sisubp-Sin-Sipn結(jié)的空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場(chǎng)濃度差多子擴(kuò)散雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)阻止多子的進(jìn)一步擴(kuò)散促進(jìn)少子的漂移動(dòng)態(tài)平衡（零偏）由于PN結(jié)兩側(cè)存在著電子和空穴的濃度梯度，因此電子和空穴將分別由N型區(qū)和P型區(qū)向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，同時(shí)在N型區(qū)中留下固定的帶正電荷的施主離子，在P型區(qū)中則留下固定的帶負(fù)電荷的受主離子。這個(gè)固定的正負(fù)電荷區(qū)即為空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)中將形成內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)引起載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)與載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，最后二者達(dá)到平衡。

由于空間電荷區(qū)中的可動(dòng)載流子基本處于耗盡狀態(tài)，因此空間電荷區(qū)也稱作耗盡區(qū)。

pn結(jié)指p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的界面，顯然該界面實(shí)際為包括整個(gè)空間電荷區(qū)在內(nèi)的空間區(qū)域。而空間電荷區(qū)之外的部分，則和獨(dú)立的摻雜半導(dǎo)體性質(zhì)相同，不屬于pn結(jié)的區(qū)域。pnVs.pn結(jié)二極管

半導(dǎo)體物理：半導(dǎo)體器件基本耗盡的意思是：載流子濃度和雜質(zhì)濃度差別巨大（數(shù)量級(jí)的差別）在熱平衡pn結(jié)的任何區(qū)域（包括空間電荷區(qū)）；n0p0=ni2成立；§7.2零偏（熱平衡）pn結(jié)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的能帶圖pn結(jié)的能帶圖內(nèi)建電勢(shì)差EcEvEFiEFEcEvEFiEF在達(dá)到平衡狀態(tài)的PN結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)在空間電荷區(qū)中的積分就形成了一個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差，從能帶圖的角度來看在N型區(qū)和P型區(qū)之間建立了一個(gè)內(nèi)建勢(shì)壘，該內(nèi)建勢(shì)壘的高度為：內(nèi)建電勢(shì)差維持著n區(qū)多子電子與p區(qū)少子電子之間以及p區(qū)多子空穴與n區(qū)少子空穴之間的平衡（擴(kuò)散與漂移的平衡）。由于空間電荷區(qū)是電子的勢(shì)壘，因而空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）又稱作勢(shì)壘區(qū)對(duì)于平衡狀態(tài)的pn結(jié)我們有：參照前邊圖中φFn、φFp的定義，可以知道：參照前邊圖中φFn、φFp的定義，可以知道：注意Nd、Na分別表示N區(qū)和P區(qū)內(nèi)的有效施主摻雜濃度和有效受主摻雜濃度接觸電勢(shì)差的大小直接和雜質(zhì)濃度、本征載流子濃度、以及熱電壓（溫度及分布）相關(guān)。對(duì)照：費(fèi)米能級(jí)和摻雜以及溫度的關(guān)系電場(chǎng)強(qiáng)度pn+-E-xpxneNdeNa內(nèi)建電場(chǎng)由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和電荷密度的關(guān)系由泊松方程確定：其中φ為電勢(shì)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，ρ為電荷密度，εs為介電常數(shù)。

從圖可知，電荷密度ρ(x)為：耗盡區(qū)假設(shè)則p側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)可以積分求得：邊界條件：x=-xp時(shí)，E=0相應(yīng)，n側(cè)空空間電荷區(qū)電場(chǎng)：邊界條件：x=xn時(shí)，E=0p側(cè)電場(chǎng)和n側(cè)電場(chǎng)在界面處（x=0）連續(xù)，即：-xpxneNdeNa-xpxnx=0E因而兩側(cè)空間電荷區(qū)的寬度xp和xn有關(guān)系：空間電荷區(qū)整體保持電中性空間電荷區(qū)主要向低摻雜一側(cè)延伸根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的關(guān)系，將p區(qū)內(nèi)電場(chǎng)積分可得電勢(shì)：確定具體的電勢(shì)值需要選擇參考點(diǎn)，假設(shè)x=xp處的電勢(shì)為0，則可確定積分常數(shù)值C1’和p區(qū)內(nèi)的電勢(shì)值為：同樣的，對(duì)n區(qū)內(nèi)的電勢(shì)表達(dá)式積分，可求出：當(dāng)x=0時(shí)，電勢(shì)值連續(xù)，因而利用p區(qū)電勢(shì)公式可求出：pp0np0nn0pn0-xpxnx=0EpnΦ=0Φ=Vbi電勢(shì)和距離是二次函數(shù)關(guān)系，即拋物線關(guān)系空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度變化顯然，x=xn時(shí)，Φ=Vbi，因而可以求出：空間電荷區(qū)寬度pn+-xp+xn由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)知道：將該式代入用電勢(shì)公式求出的Vbi式，可得到：例7.2空間電荷區(qū)寬度與摻雜濃度有關(guān)單邊突變結(jié)：一側(cè)高摻雜，而另一側(cè)低摻雜的突變結(jié)p+n或pn+單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)擴(kuò)展單邊突變結(jié)的勢(shì)壘主要降落在輕摻雜一側(cè)熱平衡狀態(tài)下pn結(jié)處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢(shì)差內(nèi)建電場(chǎng)從n區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向p區(qū)空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)在p、n交界處最強(qiáng)因?yàn)槭菬崞胶鉅顟B(tài)，p區(qū)、n區(qū)及空間電荷區(qū)內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)空間電荷區(qū)內(nèi)的漂移電流和擴(kuò)散電流向平衡，無宏觀電流。p、n兩側(cè)的空間電荷總數(shù)量相等，對(duì)外部保持整體的電中性空間電荷區(qū)內(nèi)無（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區(qū)；空間電荷區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)，表現(xiàn)為電子的勢(shì)壘，因而又稱為勢(shì)壘區(qū)空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關(guān)pnpn-xpxnx=0EcEFEFiEv-+EeVbi-xpxnEMax 這一關(guān)系給出了內(nèi)建電勢(shì)差在