半导体物理复习总结（六）——pn结

pn结

PN结制备工艺有生长法，合金法，扩散法，离子注入法。

pn结的形成：形成pn结时，由于载流子的浓度梯度差异，电子从n区到p区扩散，空穴从p区到n区扩散，这时n区剩下带正电的电离施主，p区剩下带负电的电离受主不能移动，形成从n区指向p区的电场，称为内建电场。此电场方向与扩散运动方向相反，形成n到p的漂移电流。边界附近的电离施主和受主的存在区域称为空间电荷区。在pn结的空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中存在内建电场，电势能变化的结果。能带弯曲，电子从势能低的n趋向势能高的p区，运动时，必须克服这一势能高坡才能达到p去，同理空穴，也必须克服这一势能高坡才能从p区到达n区，这一势能高坡，通常称为PN结的势垒。故空间电荷区也称势垒区。

室温附近对于绝大部分势垒区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起n区和p区多子浓度小的多，类似于耗尽，所以也称势垒区为耗尽区，认为其中载流子浓度很小，可以忽略。空间电荷密度等于电离杂质浓度。

平衡PN结的空间电荷区两端的电势差，称为PN结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差，即q*Vd称为pn节的势垒高度。

理想PN结模型。小注入。突变耗尽层。不考虑耗尽层中载流子，没有产生一复合。玻尔兹曼边界条件（在耗尽层两端载流子分布，满足波尔兹曼统计分布）。

肖克利方程有单向导电性。当a大于零时，正向电流密度随正向偏压成指数，关系迅速增大，当b小于零时，称为远大于k0t。电流密度等于Js，与外加电压无关，为反向饱和电流密度。Js随温度升高而迅速增大，并且禁带宽度越大的半导体，Js变化越快。

实际pn结：加反向偏压时势垒区内的电场加强，所以在势垒区内由于热激发作用，通过复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被强电场区走，也就是说势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率，具有净产生率，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流。加正向偏压时，从n区注入p区的电子和p区注入n区的空穴，在势垒区内复合的一部分构成了另一股正向电流，称为势垒区复合电流。

正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近或超过该去多子浓度的情况称为大注入情况。注入的空穴在n区边界积累，在空穴扩散区形成浓度梯度，为了保持电中性电子也形成一定的浓度梯度，使电子在空穴扩散方向上也发生扩散，破坏的电中性条件，由于电子与空穴间的静电引力形成了内建电场，使正向偏压v在扩散区降落。

势垒电容指，由于外加电压变化引起的载流子在势垒区的存取，使势垒区空间电荷随外加电压变化。扩散电容指外加电压变化扩散区内积累的非平衡载流子和保持电中性的载流子变化，使扩散区电荷数量变化。

势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。

扩散电容随频率增加而减小。势垒电容正向偏压时，等于4倍平衡PN结的势垒内容。加大的正向偏压时，扩散电容占主要，可以用于变容器检测及附近的杂质浓度和杂质浓度梯度。

pn结击穿是指对pn结施加反向偏压增加到某一数值时，反向电流密度突然开始迅速增大。这一临界电压称为击穿电压。pn结击穿分为雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。

雪崩击穿是指当反向偏压很大时，势垒区电场很强，其中的电子和空穴受强电场漂移作用有很大的动能，与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来成为导电电子同时产生空穴，这三个载流子在强电场的作用下与其他价键上的电子碰撞使载流子数量大量增大。

隧道击穿也称齐纳击穿，当pn结加反向偏压时能带倾斜，势垒升高，内建电场增加，势垒区能带越倾斜，若n区导带底p区价带顶还低时，两者之间的横向距离非常短，此时电场能给电子的能量只要大于这一横向宽度，电子就可以加速通过这一距离，使大量的电子从价带进入导，电流急剧增加。

热电击穿是指pn结加反向电压时引起热损耗，产生大量热，温度上升使饱和电流迅速增大，产生更多的热。热电击穿不可恢复。

pn结在，掺杂浓度一般，外加电压很高时容易产生雪崩击穿，在高掺杂时容易产生隧道击穿。