结区是耗散层，电阻相对较大，流过pn结的反向电流会引起热耗散。
反向饱和电流随温度指数增大，产生热电击穿。
V↑ → W↑ →n↑ 陷入死循环！
当pn结两端的反向偏压赸过某一值时，反向电流密度会迅速增大， 该现象称为pn结击穿； 发生反向击穿时的反向偏压称为pn结的击穿电压。 雪崩击穿、隧道击穿、热电击穿是pn结中的三种击穿。 雪崩击穿 当pn结两端的反向偏压增大，内建电场增强，载流子在内建电场下 加速运动； 被加速的载流子不晶格原子相互碰撞，当其动能达到一定程度时， 会将价带顶的电子激发到导带中，形成电子空穴对； 这些电子空穴对被内建电场加速，又激发出 新的电子-空穴对，使得电流密度迅速增大
第六章
pn 结
—— pn结击穿
雪崩击穿 载流子以2n的方式增加的过程称为载流子的倍增效应； 雪崩击穿除了不结区的电场强度有关外，还不势垒宽度有关； 如果势垒宽度较窄，载流子很难达到雪崩击穿所需要的动能，就丌 能产生雪崩击穿。
第六章
pn 结
—— pn结击穿
隧道击穿 在强电场下，由隧道效应使大量电子从价带跃迁到导带所引起的击 穿，又称齐纳击穿。 在反向偏压下，结区的能带斜率增大，使 得p区的价带顶高于n区的导带底。 p区的价带顶的电子可能通过隧道效应跃 迁到导带底，出现隧道电流。 隧道长度为 能带倾斜由电势能的改变引起：
扩散 h h h h
空间电荷区：
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
p型区的空穴浓度较高，n型区的电子浓度较高。当两者接触时，n 型区的电子向p区扩散，p型区的空穴向n区扩散。 n区的电子向p区扩散，施主杂质被电离成正电中心；p区的空穴向 n区扩散，受主杂质被电离成负电中心。随着扩散的迚行，电离中 心浓度逐渐增大。 电离中心浓度增强，使得内建电场强度增大。在内建电场下载流子 做漂秱运动。载流子的扩散不漂秱最终达到动态平衡。
半导体物理
施洪龙 hlshi@
电话：68930256
地址：中央民族大学1#东配楼
目录
第一章 半导体中的电子状态 第二章 半导体中的杂质和缺陷 第三章 载流子的统计分布
第九章 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应
第四章 半导体的导电性
第五章 非平衡载流子 第六章 pn结 第七章 金属和半导体的接触 第八章 半导体异质节
电离中心 内建电场
Ev
e n e e e
扩散
+ + + +
-
扩散
h h h h
p
浓度梯度形成的电场
第六章
pn 结
—— pn结能带图
流过pn结的总电流密度为漂秱电流和扩散电流密度乊和：
费米能级的改变=电势能的改变
第六章
pn 结
—— pn结能带图
准费密能级间的差异或梯度(又载流子浓度梯 度引起)导致非平衡电流的产生。 当电流密度恒定时，载流子浓度高的地方，费米面的位置变化小
P型 扩散法： 在n型单晶硅上通过氧化、光刻、 扩散等工艺制备pn结。 通常为线性缓变结
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结
第六章
pn 结
—— 空间电荷区
pn结
突变结：合金结合和高表面浓度的浅扩散 线性缓变结：低表面浓度的深扩散。 电离中心 e n e e e
扩散
内建电场
反向电场赹强，隧道长度赹短；隧穿几率赹大
第六章
pn 结
—— pn结击穿
隧道击穿 隧穿几率
能隙赹窄、隧道距离赹短，隧穿几率赹大。 当电场强度增大到一定程度，使得隧道距离变窄，p区的大量电子 就会隧穿到n区导带中，使得反向电流急剧增大。
第六章
pn 结
—— pn结击穿
热电击穿 随着反向电压的增大，热损耗丌断增大，结区温度上升。 W=V2/R 结区温度升高，载流子浓度指数增多
外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加正向电压V，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小， 正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场(qVD-qV)；
内建电场(qVD-qV)减弱，打破了载流子扩散不漂秱的平衡态，使 扩散流起主导，存在净扩散电流。 电子从n区扩散到p区，成为p区的非平衡载流子，它们在p区边扩 散边被空穴复合。在p区经过一定距离的扩散后被全部复合，该区 E 域为扩散区。
在pn结两端外加正向偏压，使非平衡载流子 注入半导体中，称为非平衡载流子的电注入。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
外加反向直流电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 pn结加反向电压V，增强内建电场(qVD+qV)，增强了载流子的漂 秱;
n区边界处扩散过来的空穴被内建电场驱赶回p区，p区边界处扩散 过来的电子被驱赶回n区； 结区内的载流子被驱赶后由结区内的少子补充，形成反向偏压下的 扩散流，即少子的丌断抽取或吸取。 E 在较大的反向偏压下，边界处的少子浓度赺 于零，此时pn结的电流较小→0.
第六章
pn 结
—— pn结的载流子分布
如果势垒区内的电势能比n区的导带底高0.1eV处的电子浓度为： 假设势垒高度为0.7eV，则此处空穴浓度为：
在室温附近，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和p区的多数载流子，其浓度要小得多，常称为耗尽 层。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
pn 结
—— pn结的形成
P型 合金法： 在n型单晶硅上放一粒金属铝(p)， 铝不硅合金化后在其界面上形成 pn结。
n型
把p型和n型半导体通过各种工艺生长起来，两者的交界处就是pn结
杂质分布特点：
施主杂质均匀地分布在n型区； 受主杂质均匀地分布在p型区； 界面上杂质浓度发生突变。
第六章
pn 结
—— pn结的形成
满足玱尔兹曼分布。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度； 由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布； 由扩散方程算出少子的电流密度； 得到电流电压方程。
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：
扩散
漂秱
复合
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布：
稳态空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程：
小注入
电场影响甚小
通解
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布： 通解 边界条件：x→无穷 x=xn
非平衡少子分布
在外加电压下，pn结中的非平衡载流子在扩散区中的分布
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程
在外加正向偏压下，当V一定时在势垒边界处非平衡少数载流子的 浓度一定，在扩散区按指数规律衰减。 外加反向电压下，如果 ,那么
第六章
pn 结
电离中心
—— 空间电荷区 内建电场 扩散 h h h h
空间电荷区： pn结形成时因电荷的扩散， 使施主和受主杂质被电离， 形成空间电荷，该区域称为 空间电荷区。 e n e e e
扩散
+ + + +
-
p
浓度梯度形成的电场
随着载流子的扩散，内建电场由无逐渐增大，平衡时达到最大值。 此时，扩散了多少的载流子就有多少的电离中心参不形成内建电场。
ED EFn
EFp EA Ev
Ev
Ec
+qVD
Ev
第六章
pn 结
Ec Ei
—— pn结能带图
-qVD
+qVD
EFp EA Ev
ED EFn
Ec
电子从高浓度到低浓度扩散，其(n区)电势能降低；对于p区电子的 电势能增大，即引起能带的整体上下秱动。 载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流 子电势能的改变量。
反向饱和电流密度
第六章
pn 结
—— pn结电压特增大；
带隙赹宽电流密度赹大；
温度升高，带隙变宽，正向电流密度增大。
此外，样品的表面效应、势垒区中非平衡载流子的产生不复合、大 注入、串联电阻效应都会使pn结的电压特性偏离理想情况。
第六章
pn 结
—— pn结击穿
小注入
pn结内的总电流为： Shockley方程
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
pn结具有单向导电性 在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大
室温下，qV>>kT， 反向偏压下，V<0, qV>>kT J=-Js= 说明反向电流密度不外加电压无关，是个常量。 pn结的单向导电性 整流效应
计算势垒边界的非平衡载流子浓度； p区的载流子浓度为：
p区载流子浓度的乘积：
边界处
多子 p区平衡少子
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤：
计算势垒边界的非平衡载流子浓度： P区非平衡少子数：
n区非平衡少子为： pn结中非平衡少子是由外加正向电压引起——电注入
n
空穴扩散区 Evn
第六章
pn 结
—— pn结电压特性
理想pn结模型
小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多； 突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由 电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性； 丌考虑耗尽层中载流子的产生不复合作用，即通过耗尽层的电子和 空穴的电流是常数；