空间电荷区的自建电场强度是非均匀电场， 电场强度是x的函数
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2.2 加偏压的PN结
2.2.1 PN结的单向导电性 2.2.2 少数载流子的注入与输运
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2.2.1 PN结的单向导电性
非平衡PN结
处于一定偏置状态下的 PN结称为非平衡PN结
当PN结两端加正向偏 压VF，即P区接电源的 正极，N区接电源的负 极，称为正向PN结。
PN结
P
N
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PN 结类型
按材料分为同质结，和异质结 按导电类型分为同型结和异型结
按杂质的分布分为突变结和线性缓变结
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2 、 PN结的形成过程
工艺方法 合金法 扩散法 生长法 离子注入法 光刻工艺(硅平面工艺）
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合金法制造PN结过程
熔融
Al N-Si
P-Si
突变结
P区与N区的交界面处的杂质浓度分布是突变的， 此法称为合金结，又称突变结。
在一块N型硅片上放置一铝箔，铝箔上加一石墨压块，
并置于600℃以上的烧结炉中恒温处理5分钟，然后缓慢降温
经这样的处理后的硅片的上表面就形成可很薄的一层P型再结
晶层，PN结形成了。
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突变结
P区与N区的杂质浓度都是分布均匀的 N型区施主杂质浓度为ND P型区受主杂质浓度为NA 在交界面处x = 0，杂质浓度由P型突变为N型
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N
XN
XP
P
空间电荷区XM
一个平衡PN结中，空间电荷区以外的区域都是电中性的。 P区一侧的中性区称为P型中性区； N区一侧的中性区称为N型中性区。
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扩散电势差 0
0
kT q
ln
NAND ni2
NA：P区受主掺杂浓度 ND：N区施主掺杂浓度 ni ：本征载流子浓度
kT 0.026 V T 300K
P区
N区
杂 质
NA
浓
度
ND
xj
x
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突变结
单边突变结：当一侧的浓度远大于另一侧时
N＋ P结： ND >> NA N0 ≈ NA P＋ N结： NA >> ND N0 ≈ ND
ND NA
ND
0
x
NA
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扩散法制造PN结过程
N
P
N-Si P-Si
杂 质
ND -NA
浓
度
PN结两边的杂质浓度是非均匀的
A、线性缓变结近似
B、突变结近似
xj
x
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2.1 热平衡PN 结
2.1.1 PN结空间电荷区 2.1.2 电场分布于电势分布
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2.1.1 PN结空间电荷区
平衡PN结：指半导体在零偏压条件下的PN结。
PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加 电压、光照、磁场、辐射等外作用平衡 状态。
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◎平衡PN结能带图
EECi
EFP
EF
EEVi
EV
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2.1.2电场分布与电势分布
PN结分为三部分：
1、中性区：远离空间电荷区P型和N型区多子浓度等于电离杂质 浓度，因而保持电中性。这时这部分区域称为 “中性区”。 2、边界层：既存在失去电子的空穴的杂质电离中心，又存在一 些自由载流子，电荷分布很复杂，可以推得边界层的宽度远小于 空间电荷区的宽度，通常可以忽略 3、耗尽区：在空间电荷区，杂质电离中心浓度较大，远大于自 由载流子浓度，相当于载流子浓度被耗尽，所以该区域称为耗尽 区或者耗尽层。
形成较大的电流， 正向偏压给PN结形成了低阻的 电流通路
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PN结的反向特性 反向PN结
P区接负，N区接正
外加电场与内建电场方向相同
空间电荷区中的电场增强 反向电压使： 势垒区宽度变宽 势垒高度变高 qV0D↑q(V0 D+VR)
载流子运动形成的，由N区指向P区。
PN结的内建电势(接触电势) 0
由内建电场所导致的N区和P区的电位差。
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平衡PN结能带图
2.1.1 平衡PN结能带图
0 : 接触电势差 （内建电势）
空间电荷区又称 势垒区 耗尽层
能带
电位 电子的电势能
空间电荷区
P
N
xp 内建电场 xn
0
q 0
qEEVCFDN
常按照一定的函数规律而变化。
ND NA aj x xj
xj
x
缓变结
在一块N型硅片上用化学方法涂敷一层含有Al2O3的乙醇 溶液，在红外线灯下干燥后，置于1250℃的扩散炉中进行高
温处理若干小时，然后缓慢降温。 9
实际PN结近似
N
P
缓变PN结附近杂质浓 杂
质
度有两种近似处理方 浓
法
度
ND -NA
空间电荷区
P
N
xp 内建电场 xn
0
q 0
质提供。这时空间电荷
EC
区又可称为“耗尽区”。 EFP
能带
qEVFDN
EECi EF
和N型侧的耗尽层宽度分别为xp和xn, 整个空间电荷层宽度表示为W=x n +x p
耗尽层宽度与扩散电势差有关，具体的计 算分情况讨论（了解）
对于P+N突变结
平衡PN结有统一的费密能级EF
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空间电荷区的形成
空间电荷：带正电的电离施主和带负电荷的电离 受主都是固定在晶格点上不可移动， 称之为空间电荷。
空间电荷区：空间电荷所在的区域。
空间电荷不能移动，也不能传导电流。 14
一、空间电荷区的形成
内建电场E内： 空间电荷所产生的电场， 此电场不是由外部因素引起的，而是由PN结内部
－＋
P
－＋
N
－＋
＋－
正向PN结
－－ ＋＋
P －－ ＋＋ N
－－ ＋＋
反之，当PN结两端加反 向偏压VR则称反向PN结。
－＋ 反向PN结
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正向电压VF
外加电场与内建电场方向相反
空间电荷区中的电场减弱 势垒区宽度变窄 势垒高度变低
qVD0↓ q(VD－0 VF)
破坏扩散与漂移运动间的平衡 扩散运动 强于 漂移运动
1.2.5半导体的结
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半导体的结-PN 结
PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。
PN结中的载流子既有漂移运动，又有扩散运动； 既有产生，又有复合，这些性质集中反映在半导体 的导电特性中。
P区 NA
N区 ND
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1、PN 结的形成
在同一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定 的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块 单晶相连的二个不同区域分别具有N型区和P型区的 导电类型，在二者交界面以及交界面两侧的过渡区 即称为PN结。
q
PN结的势垒高度与两边的掺杂浓度有关。
掺杂浓度越高，势垒高度越大。
从能带图可以看出：
N区掺杂浓度越高，N型区费米能级(EF)n越靠近导带底 P区掺杂浓度越高，P型区费米能级(EF)p越靠近价带顶 PN结势垒高度qVD也越大。
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2、耗尽区
电位 电子的电势能
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