第三章 P型半导体和N型半导体接触VIP免费

半导体材料与器件宁波大学p-n结1第三章第三章PNPN结结热平衡状态下的热平衡状态下的p-np-n结结耗尽区耗尽区耗尽层势垒电容耗尽层势垒电容电流电流--电压特性电压特性电荷储存与暂态响应电荷储存与暂态响应结击穿结击穿异质结异质结p-n结(junction)：由p型半导体和n型半导体接触形成的结．p-n结最重要的特性是整流性，即只容许电流流经单一方向。右图为一典型硅p-n结的电流-电压的特性．当对p-n结施以正向偏压(p端为正)时，随着电压的增加电流会快速增加．然而，当施以反向偏压时，随反向偏压的增加几乎没有任何电流，电流变化很小，直到一临界电压后电流才突然增加．这种电流突然增加的现象称为结击穿(junctionbreakdown)．外加的正向电压通常小于1V，但是反向临界电压或击穿电压可以从几伏变化到几千伏，视掺杂浓度和其他器件参数而定。012341212345671234BV反向击穿正向导通V/VmA/I012341212345671234BV反向击穿正向导通V/VmA/I热平衡状态下的p-n结p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘．p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。能带图(banddiagram)：热平衡状态下的p-n结费米能级的相关性费米能级的相关性在热平衡条件下，一个系统中的费米在热平衡条件下，一个系统中的费米能级总是保持为一个相等的常数。能级总是保持为一个相等的常数。考虑两个特定的材料系统，热平衡状考虑两个特定的材料系统，热平衡状态下分别具有各自的费米能级，当二者紧密接态下分别具有各自的费米能级，当二者紧密接触之后，统一后的整个系统中，电子将首先填触之后，统一后的整个系统中，电子将首先填充最低的能态，因此电子将从费米能级高的材充最低的能态，因此电子将从费米能级高的材料中流向费米能级低的材料，直到二者具有统料中流向费米能级低的材料，直到二者具有统一的费米能级。这个过程如图所示。一的费米能级。这个过程如图所示。当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧．当空穴持续离开p侧，在结附近的部分负受主离子NA－未能够受到补偿，此乃因受主被固定在半导体晶格，而空穴则可移动．类似地，在结附近的部分正施主离子ND+在电子离开n侧时未能得到补偿．因此，负空间电荷在接近结p侧形成，而正空间电荷在接近结n侧形成．此空间电荷区域产生了一电场，其方向是由正空间电荷指向负空间电荷，如图上半部所示．热平衡状态下的p-n结对个别的带电载流子而言，电场的方向和扩散电流的方向相反．图下方显示，空穴扩散电流由左至右流动，而空穴漂移电流因为电场的关系由右至左移动．电子扩散电流由右至左流动，而电子漂移电流移动的方向刚好相反．应注意由于带负电之故，电子由右至左扩散，恰与电流方向相反。热平衡状态下的p-n结平衡费米能级(equilibriumFermilevels)：在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即dxdpqDpEqJJJppppp（扩散）（漂移）0)1(dxdpkTdxdEqpqpip由空穴浓度的关系式和其导数其中对电场用了和爱因斯坦关系式dxdEqdxdEqEiC11ppqkTD)exp(kTEEnpFii)(dxdEdxdEkTpdxdpFi热平衡状态下的p-n结将上式，即得到净空穴电流密度为dxdpqDpEqJJJppppp（扩散）（漂移）0)1(dxdpkTdxdEqpqpip0dxdEpJFpp或0dxdEF同理可得净电子电流密度为0FnnnnnndEdnJJJqnEqDndxdx（漂移）（扩散）因此，对净电子和空穴电流密度为零的情况，整个样品上的费米能级必须是常数(亦即与x无关)，如前图所示的能带图。)(dxdEdxdEkTpdxdpFi代入下式，即热平衡状态下的p-n结内建电势(built-inprotential)Vbi：在热平衡下，定值费米能级导致在结处形成特殊的空间电荷分布．对图(a)及(b)表示的一维p-n结和对应的热平衡能带图,空间电荷...