固体电子器件

固体电子器件 第一章半导体物理基础(知识回顾）第二章 PN结理论第三章双极晶体管第四章场效应晶体管第五章电力电子器件第六章光电子器件

第二章 PN 结 什么是PN结？ p-n结是同一块半导体中p型区与n型区交界面及其两侧很薄的过渡区。它既可以单独构成半导体器件，也是构成各种半导体器件的基本单元。 P 区 NA N 区 ND

什么是理想平行平面结？ 本章所讨论的PN结为理想的平行平面结，即界面为平面，平行于与其相对的两个端面，如图所示。如果结面积足够大，且掺杂浓度只在垂直于结的方向（x方向）变化，就可采用一维的半导体方程。

第二章 PN 结 • 2.1 PN结的平衡状态 • 2.2 准费米能级 • 2.3 PN结V-I特性 • 2.4 大注入效应 • 2.5 PN结的击穿 • 2.6 PN结的电容 • 2.7 PN结的开关特性 • 2.8 PN结二极管内容

2.1 PN结的平衡状态 平衡状态--- PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。 2.1.1 PN结空间电荷区的形成 2.1.2 内建电场、内建电势和耗尽层宽度内容 2.1.3平衡pn结能带图与载流子分布 2.1.4 耗尽近似的适用性

内建电场 P 区 N 区 NA- NA- ND+ ND+ pp0 nn0 空间电荷区 2.1.1 PN结空间电荷区的形成平衡状态下的PN结在结的两侧的很窄的区域存在由施主离子和受主离子产生的空间电荷区，空间电荷区产生的电场称为自建电场。

P区： N区： 平衡多子 P区： N区：平衡少子空间电荷区的形成 N 区 P 区 NA-，pp0 ND+，nn0 利用 no po = ni2的关系，可得：一定宽度的稳定空间电荷区浓度差扩散电场动态平衡扩散+漂移

2.1.2内建电场、内建电势和耗尽层宽度 1) 简化近似：简化近似一：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处（x= 0）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均随距离作线性变化，杂质浓度梯 a 为常数。

内建电场 简化近似二： P 区 N 区 NA- NA- ND+ ND+ pp0 nn0 空间电荷区耗尽近似--- 认为空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为 “耗尽区”。中性近似--- 认为在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) 突变结内建电场、内建电势和耗尽层宽度的分析：在N区的耗尽区中，根据耗尽近似，写出泊松方程成为： P N 上式也可写成：（因）利用边界条件：可得：

同理可在P 区耗尽区中求解泊松方程得： P N 在 x = 0 处，ε ( x )达到最大值：由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度：总的耗尽区宽度：

对内建电场作积分可得 内建电势（也称为扩散电势）： P N 以上建立了3 个方程，但有 4 个未知量，即、、和。下面用另一种方法来求解。

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：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：从上式可解出内建电场：利用爱因斯坦关系式对积分即可求出内建电势为：

由于， ，故得：由上式可见，Vbi与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的约为 0.35V 。最后可得：

内建电势是电场分布所围城的面积 P N

对于单边突变结， 则以上各式可简化为：

对于单边突变结， 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。

3) 线性缓变结 在线性缓变结中，杂质分布为：耗尽近似下的泊松方程为：边界条件为：积分并应用边界条件后得电场分布为：

上式中： 内建电势为：将上面关于与的两个方程联立，可解得：

应当指出，以上所有关于平衡 PN 结的各个公式，都可以推广到有外加电压时的情形。如果假设外加电压全部降落在耗尽区上，则只需将各公式中的 Vbi用（Vbi – V）代替即可。注意外加电压的参考方向与 Vbi 相反。

固 体 电 子 器 件