温度越髙,掺杂浓度越大,迁移率就越小,硅中载流子迁移率比锗小,迁移 率半导体器件的工作速度或工作频率,采用迁移率大的材料(如砷化镓)可 制作高速或高频的半导体器件。 若半导体长度为L,截面积为S,则: V=E L It=Jt S R=(V/It)=p L/S 其中电阻率pE/地(中+n)电导率o=1/p 本征半导体中电阻率与本征载流子浓度成反比,杂质半导体o比本征半导体 高的多,教材第8页例题中是六个数量级,光照使电导率增加 2、扩散电流:当半导体中载流子浓度分布不均时就要出现扩散现象如光照、注 入载流子半导体中热平衡遭到破坏载流子浓度差引起扩散,产生扩散电流,扩 散电流大小与浓度梯度成正比 Pd=-qD dP(x)/dx JnD=-(-q)D,dn(x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象在导体中,只有一种 载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓度向高浓度方向的电场,依靠 电场力就会迅速将高浓度的电子拉向低浓度处,因此在导体中,建立不了自由 电子浓度差而在半导体中,存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度 差时仍能满足处处电中性条件,不会产生不同浓度之间的电场后面将会看到, 在杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结形成内建电场扩散电
温度越高，掺杂浓度越大，迁移率就越小，硅中载流子迁移率比锗小，迁移 率半导体器件的工作速度或工作频率，采用迁移率大的材料（如砷化镓）可 制作高速或高频的半导体器件。 若半导体长度为L，截面积为S，则： V=E·L It=Jt ·S R=（V/ It）=ρ·L/S 其中电阻率ρ=E/ Jt =[q ·(p ·μp+n · μn )]-1 电导率σ=1/ ρ 本征半导体中,电阻率与本征载流子浓度成反比,杂质半导体σ比本征半导体 高的多,教材第8页例题中是六个数量级,光照使电导率增加. 2、扩散电流: 当半导体中载流子浓度分布不均时,就要出现扩散现象,如光照、注 入载流子,半导体中热平衡遭到破坏,载流子浓度差引起扩散,产生扩散电流,扩 散电流大小与浓度梯度成正比: JPD= -qDPdP (x)/dx JnD= -(-q)Dndn (x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象,在导体中,只有一种 载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓度向高浓度方向的电场,依靠 电场力就会迅速将高浓度的电子拉向低浓度处,因此,在导体中,建立不了自由 电子浓度差,而在半导体中,存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度 差时,仍能满足处处电中性条件,不会产生不同浓度之间的电场.后面将会看到, 在杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结,形成内建电场,扩散电
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的 12半导体PN结 在P型N型)半导体中,用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型(P型), 形成PN结,制造工艺有平面扩散法(高温)等。 动态平衡下的PN结: 1、阻挡层的形成:N型半导体中,施主杂质典礼后,形成大量的自由电子和 施主正离子,由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性,P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性,而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异,N区中的自由电子向P区扩散,与P区空 穴复合;P区中的空穴向N区扩散,与N区自由电子复合,这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子,即形成空间电荷区 又叫阻挡层(势垒区,耗尽区),并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场,如下图1-3所示: P区 空间电荷区一N区 9000000o06060010ooe 图1-3 ee0000000000000100000 900066006:66%oe eeeeeeeee06⊕曲 0000OOE
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的. 1.2 半导体PN结 在P型(N型）半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型（P型）， 形成PN结，制造工艺有平面扩散法（高温）等。 一、动态平衡下的PN结： 1、阻挡层的形成：N型半导体中，施主杂质典礼后，形成大量的自由电子和 施主正离子，由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性，P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性，而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异，N区中的自由电子向P区扩散，与P区空 穴复合； P区中的空穴向N区扩散，与N区自由电子复合，这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子，即形成空间电荷区， 又叫阻挡层（势垒区，耗尽区），并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场，如下图1-3所示： P区 ︱ 空间电荷区 ︱ N区 图1-3
空间电荷区以外的P区和N区仍处于热平衡状态且保持电中性 内建电场是由扩散运动产生,却反过来阻碍扩散运动,另一方面又促进N 区少子空穴向P区漂移以及P区少子自由电子向N区漂移,内建电场E最初较 弱,扩散是主要的,随着E的加强,漂移运动加强,最终漂移运动与扩散 运动达到动态平衡,漂移电流与扩散电流相互抵消,通过PN结的净电流为 零 、内建电位差:达到动态平衡时,内建电场E产生的电位差称为内建电位差。 用V表示,由半导体物理费米能级知识推得动态平衡时: VB≈Vrln(NaNd/N2) (P13-1) 式中Vr=K·T/q,常温下(即T=300K)是26mv,称为热电压 上式表明,PN结两边的掺杂浓度Na、Nd越大,N越小,VB就越大,锗的 N大于硅,因而硅的V3大于锗,常温下锗的Vg0.2—0.3V,硅的VB≈05- 0.7V。温度升高VB减小(温度升高,N增大影响比Vr大),温度每升高 1C,VB约减小25mV 3、阻挡层宽度:如果结面积为S,PN结内空间电荷区两侧宽度为Xp和Xn则 P区一侧负电荷量Q=- qSXpna N区一侧正电荷量Q= qSXnNd 两边电荷量相等,因而 Xn/Xpi=Na/Nd,阻挡层主要向低掺杂区扩展,动
空间电荷区以外的P区和N区仍处于热平衡状态且保持电中性。 内建电场是由扩散运动产生，却反过来阻碍扩散运动，另一方面又促进N 区少子空穴向P区漂移以及P区少子自由电子向N区漂移，内建电场E最初较 弱，扩散是主要的，随着E的加强，漂移运动加强，最终漂移运动与扩散 运动达到动态平衡，漂移电流与扩散电流相互抵消，通过PN结的净电流为 零。 2、内建电位差：达到动态平衡时，内建电场E产生的电位差称为内建电位差。 用VB表示，由半导体物理费米能级知识推得动态平衡时： VB≈VT㏑（Na·Nd / Ni 2） ---------------------------------（P13—1） 式中 VT =K ·T/q，常温下（即T=300K）是26mv，称为热电压。 上式表明，PN结两边的掺杂浓度Na、Nd越大，Ni越小，VB就越大，锗的 Ni大于硅，因而硅的VB大于锗，常温下锗的VB≈0.2—0.3V, 硅的VB ≈0.5— 0.7V。温度升高VB减小（温度升高，Ni增大影响比VT大），温度每升高 1 0C， VB约减小2 .5mV。 3、阻挡层宽度：如果结面积为S，PN结内空间电荷区两侧宽度为Xp和Xn则 P区一侧负电荷量Q-= -qSXpNa N区一侧正电荷量Q+= qSXnNd 两边电荷量相等，因而Xn/ Xp= Na/ Nd ，阻挡层主要向低掺杂区扩展，动
态平衡下,阻挡层的宽度是可以计算的 由高斯定理∮DdA=Q其中Q为闭合积分面内总电荷,E ￡为介电常数,dA头积分面元。以N区一侧为例: ⊕⊕⊕⊕ POO N ⊕⊕⊕⊕ p 0 ∮.dADdA+∫DdA+」jDdA 耗尽层内底面 柱体侧面 中性N区底面 第二、第三个积分为零,第一个积分在耗尽层内x处,对面积为一的面元 积分得:E=qNd(Xn-x)面积S为1。同理P区 CE=gNa(X+Xp 最大电场强度在x=0处(PN结交界处)Ema= qNdXn qNa Xp…(1) 内建电位差VB=dx=Emn(Xn+Xp)2=EmaL0/2…(2) 由(1)式和(2)式消去Xn和xp得Ema=[(2q/8)NN(NaNa)]l
态平衡下，阻挡层的宽度是可以计算的。 由高斯定理 ∮D·d A=Q 其中Q为闭合积分面内总电荷，D=εE ε为介电常数， d A为积分面元。以N区一侧为例： ∮D·d A=∫ D·d A + ∫ D·d A + ∫ D·d A 耗尽层内底面 柱体侧面 中性N区底面 第二、第三个积分为零，第一个积分在耗尽层内x处，对面积为一的面元 积分得： εE= qNd（Xn – x） 面积S为 1 。同理P区 εE= qNa（ x + Xp ） 最大电场强度在x=0处（PN结交界处）εEmax= qNdXn= qNa Xp ……(1) 内建电位差VB= ∫E dx=Emax(Xn+ Xp)/2 = EmaxL0 /2 ……(2) 由(1)式和(2)式消去Xn和 Xp得 Emax=[(2q / ε) NaNd/ (Na+Nd)]1/2 P N -Xp 0 x Xn
从而L0=2V/Ema[(2/)Na4+Nd)2 (P15-1) 最后解释一下突变结和缓变结等 、PN结的伏安特性 1、正向特性:外加正向电压V(P结正,N结负),由于势垒区内载流子很少是高阻 区,势垒区外是低阻区(内有大量载流子),正向偏置时,外加电压基本 加在势垒区,且与内建电位差vB的方向相反,阻挡层两端的电位差由VB 减少到VB-V,相应阻挡层的宽度由L减少到L,两侧离子电荷量减少, 打破了原扩散运动与漂移运动的动态平衡,扩散运动加强,P(N)区多子 空穴(自由电子)将不断注入N(P)区,成为N(P)区的非平衡少子, 通过边扩散边复合建立如下的Pn(x)、Np(x)浓度分布:(N区少子空 穴浓度分布及P区少子自由电子浓度分布) 指数分布 P
从而L0=2VB/ Emax=[(2ε/q)(Na -1+Nd -1 )]1/2 ------------------（P15—1） 最后解释一下突变结和缓变结等. 二、PN结的伏安特性 1、正向特性: 外加正向电压V(P结正, N结负), 由于势垒区内载流子很少是高阻 区，势垒区外是低阻区（内有大量载流子），正向偏置时，外加电压基本 加在势垒区，且与内建电位差VB的方向相反，阻挡层两端的电位差由VB 减少到VB – V，相应阻挡层的宽度由L0减少到L，两侧离子电荷量减少， 打破了原扩散运动与漂移运动的动态平衡，扩散运动加强，P（N）区多子 空穴（自由电子）将不断注入N（P）区，成为N（P）区的非平衡少子， 通过边扩散边复合建立如下的Pn（x）、Np（x）浓度分布：（N区少子空 穴浓度分布及P区少子自由电子浓度分布）： Cp 0 Cn Pn（x） Np（x） Np0 Pn0 P + N ＋＋ 指数分布 ＋＋ ＋＋ ＋＋ － － － － －