微电子器件（第5版）课件 陈勇 第2章 PN 结.pptx

PN结是构成各种半导体器件的基本单元。第2章PN结分析方法：将PN结分为4个区，在每个区中分别对半导体器件基本方程进行简化和求解。P区NAN区ND

突变结：P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面（x=0）处发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为单边突变结，分别记为PN+单边突变结和P+N单边突变结。线性缓变结：冶金结面两侧的杂质浓度随距离作线性变化，杂质浓度梯度a为常数。

平衡状态：PN结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。2.1PN结的平衡状态本节将介绍PN结空间电荷区的形成，PN结的内建电场、内建电势，及平衡时的PN结空间电荷区宽度。

2.1.1空间电荷区的形成平衡少子P区：N区：利用n0p0=ni2的关系，可得平衡多子P区：N区：可见，空穴扩散：P区N区电子扩散：P区N区扩散电流方向为，P区N区P区N区NA-ND+pp0,np0nn0,pn0

扩散电流：P区N区漂移电流：P区N区P区留下NA-，N区留下ND+，形成空间电荷区。空间电荷区产生的电场称为内建电场，方向为由N区指向P区。电场的存在会引起漂移电流，方向为由N区指向P区。达到平衡时，净电流=0。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。内建电场空间电荷区P区N区NA-ND+NA-pp0ND+nn0

耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。中性近似：假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为“中性区”。2.1.2内建电场、内建电势与耗尽区宽度1、耗尽近似与中性近似P区N区NA-ND+NA-pp0ND+nn0

对于突变结，由第一章例1.1的式（1-14a），当采用耗尽近似后，在N区的耗尽区中，泊松方程为积分一次，得由边界条件：可求得常数C为2、内建电场于是可得（2-5a）

PN同理，在P区耗尽区中求解泊松方程，得以上求得的E(x)就是PN结的内建电场。（2-5b）

在x=0处，内建电场达到最大值，由上式可求出N区与P区的耗尽区宽度及总的耗尽区宽度，式中，称为约化浓度。3、耗尽区宽度（2-6）（2-8）（2-7）

对内建电场作积分可得内建电势（也称为扩散电势）Vbi或4、内建电势（2-10）

但是有4个未知数，即、、和。下面用另一种方法来求。以上建立了3个方程，即(2-6)、(2-7)和(2-10)，（2-6）（2-7）（2-10）

并可进一步求出内建电势为从上式可解出内建电场，已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度方程可得

由于，，故得Vbi与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和室温下，硅的Vbi约为0.75V，锗的Vbi约为0.35V。（2-13）

最后可得

对于P+N单边突变结，则以上各式可简化为5、单边突变结的情形

对于PN+单边突变结，以上各式又可简化为可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧，与也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。

在平衡状态下，PN结能带图中的费米能级EF是水平的，而耗尽区中的导带底EC、价带顶EV与本征费米能级Ei则均与电子电位能分布有相同的形状，因此平衡PN结的能带图如下图所示。已