学习笔记(4):《微电子器件》陈星弼(第四版)第2章 PN结 |
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学习笔记(4):《微电子器件》陈星弼(第四版)第2章 PN结
2.1PN结的平衡状态2.1.1 空间电荷区的形成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2. 内建电场3. 耗尽区宽度4. 内建电势5. 单边突变结的情形
2.1.3 能带图1.能带图2. 载流子的浓度分布
2.1.4 线性缓变结2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性
PN结: 指一块半导体单晶,其中一部分是P型区,其余部分是N型区。 冶金结面: P型区和N型区的交接界面。
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 a a 为常数。 a = d ( N D − N A ) d x a=\frac{d(N_{D}-N_{A})}{dx} a=dxd(ND−NA)。 2.1PN结的平衡状态定义:指PN结内温度均匀、稳定,没有外加电压、外加磁场、光照核辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的状态。 这本书涉及的平衡状态基本由是否外加电压影响。 2.1.1 空间电荷区的形成(非常重要)整个过程: 平 衡 多 子 = { P 区 : p p 0 = N A ≫ n i N 区 : n n 0 = N D ≫ n i 平衡多子=\left\{ \begin{aligned} P区:p_{p0}=N_{A} \gg n_{i}\\ N区:n_{n0}=N_{D} \gg n_{i} \end{aligned} \right. 平衡多子={P区:pp0=NA≫niN区:nn0=ND≫ni 利用 n 0 p 0 = n i 2 n_{0}p_{0}=n_{i}^2 n0p0=ni2(质量作用定律,半导体物理中可查),可得 f ( x ) = { P 区 : n p 0 = n i 2 p p 0 = n i 2 N A ≪ n i N 区 : p n 0 = n i 2 n n 0 = n i 2 N D ≪ n i f(x)=\left\{ \begin{aligned} P区:n_{p0}=\frac{n_{i}^2}{p_{p0}} =\frac{n_{i}^2}{N_{A}} \ll n_{i}\\ N区:p_{n0}=\frac{n_{i}^2}{n_{n0}}=\frac{n_{i}^2}{N_{D}} \ll n_{i} \end{aligned} \right. f(x)=⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧P区:np0=pp0ni2=NAni2≪niN区:pn0=nn0ni2=NDni2≪ni *(为什么 n i 2 N A ≪ n i \frac{n_{i}^2}{N_{A}} \ll n_{i} NAni2≪ni和 n i 2 N D ≪ n i \frac{n_{i}^2}{N_{D}} \ll n_{i} NDni2≪ni,因为 n i n_i ni一般浓度为 1.5 × 1 0 10 1.5 \times 10^{10} 1.5×1010,掺杂浓度一般为 1 × 1 0 15 1 \times 10^{15} 1×1015,经过简单的估算即可理解) 可见: { p p 0 ≫ n i ≫ p n 0 n n 0 ≫ n i ≫ n p 0 \left\{ \begin{aligned} p_{p0}\gg n_{i}\gg p_{n0} \\ n_{n0}\gg n_{i}\gg n_{p0} \end{aligned} \right. {pp0≫ni≫pn0nn0≫ni≫np0 表示 P P P区空穴浓度大于 N N N区, N N N区电子浓度大于 P P P区。 因为有浓度差,所以载流子由浓度高向浓度低的一侧转移。 则发生漂移运动: { 空 穴 : P → N , 空 穴 带 正 电 , 扩 散 电 流 方 向 : P → N 。 电 子 : N → P , 电 子 带 负 电 , 扩 散 电 流 方 向 : P → N 。 \left\{ \begin{aligned} 空穴:P→N,空穴带正电,扩散电流方向:P→N。 \\ 电子:N→P,电子带负电,扩散电流方向:P→N。 \end{aligned} \right. {空穴:P→N,空穴带正电,扩散电流方向:P→N。电子:N→P,电子带负电,扩散电流方向:P→N。 浓度差存在会引起扩散电流,方向为由 P P P 区指向 N N N 区。 P P P 区留下 N A − N_{A}^{-} NA−, N N N区留下 N D + N_{D}^{+} 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 N N区指向 P P P 区。 { 空 穴 : 空 穴 带 正 电 , 受 电 场 方 向 N → P , 漂 移 电 流 方 向 : N → P 。 电 子 : 电 子 带 负 电 , 受 电 场 方 向 P → N , 漂 移 电 流 方 向 : N → P 。 \left\{ \begin{aligned} 空穴:空穴带正电,受电场方向N→P,漂移电流方向:N→P。 \\ 电子:电子带负电,受电场方向P→N,漂移电流方向:N→P。 \end{aligned} \right. {空穴:空穴带正电,受电场方向N→P,漂移电流方向:N→P。电子:电子带负电,受电场方向P→N,漂移电流方向:N→P。 电场的存在会引起漂移电流,方向为由 N N N 区指向 P P 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。 注意一下,此时的平衡为多子扩散和少子漂移的平衡。 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”。 由泊松方程可以得到(证明略): { N 区 耗 尽 区 : E ⃗ ( x ⃗ ) = q ε s ( x ⃗ − x ⃗ n ) N D P 区 耗 尽 区 : E ⃗ ( x ⃗ ) = q ε s ( x ⃗ + x ⃗ p ) N A \left\{ \begin{aligned} N区耗尽区:\vec E(\vec x)= \frac{q}{\varepsilon_s}(\vec x-\vec x_n)N_D \\ P区耗尽区:\vec E(\vec x)= \frac{q}{\varepsilon_s}(\vec x+\vec x_p)N_A \end{aligned} \right. ⎩⎪⎨⎪⎧N区耗尽区:E (x )=εsq(x −x n)NDP区耗尽区:E (x )=εsq(x +x p)NA x ⃗ p \vec x_p x p: P P P区耗尽层宽度。 x ⃗ n \vec x_n x n: N N N区耗尽层宽度。 ε s \varepsilon_s εs:半导体电容率![]() 可以看出,载流子浓度决定斜率,浓度不变斜率不变。 取 ∣ E ( x ) ∣ \vert E(x)\vert ∣E(x)∣是为纵坐标了方便看,没啥特殊意义。 3. 耗尽区宽度由上面的电场强度表达式可以得到 x n 、 x p x_n、x_{p} xn、xp,设耗尽区宽度为 x d x_{d} xd,则: x n = ε s q N D ∣ E ∣ m a x x p = ε s q N A ∣ E ∣ m a x x d = x n + x p = ε s q ⋅ N A + N D N A N D ∣ E ∣ m a x = ε s q N 0 ∣ E ∣ m a x x_n=\frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}\\ x_p=\frac{\varepsilon_s}{qN_A}\vert E\vert_{max} \\ x_d=x_n + x_{p}= \frac{\varepsilon_s}{q} \cdot \frac{N_A+N_D}{N_AN_D}\vert E\vert_{max}= \frac{\varepsilon_s}{qN_0}\vert E\vert_{max} xn=qNDεs∣E∣maxxp=qNAεs∣E∣maxxd=xn+xp=qεs⋅NANDNA+ND∣E∣max=qN0εs∣E∣max N 0 N_0 N0:约化浓度, N 0 = N A N D N A + N D N_0=\frac{N_AN_D}{N_A+N_D} N0=NA+NDNAND。可以看出,掺杂浓度越高,耗尽区越窄。 4. 内建电势对内建立电场求积分可得内建电势,可以用数学方法也可以用图像法。数学方法用牛顿莱布尼兹公式,图像法是求电场的三角形面积。 积分得: V b i = ε s 2 q N 0 ∣ E ∣ m a x 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ① V_{bi}=\frac{\varepsilon_s}{2qN_0} \vert E \vert_{max}^2 \cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot ① Vbi=2qN0εs∣E∣max2⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅① 然而,有四个未知量 V b i 、 x n 、 x p 、 ∣ E ∣ m a x V_{bi}、x_n、x_p、\vert E \vert{max} Vbi、xn、xp、∣E∣max,一个方程解一个未知量,上面有了一个方程,所以还得3个方程。由前面已知: { x n = ε s q N D ∣ E ∣ m a x ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ② x p = ε s q N A ∣ E ∣ m a x ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ③ \left\{ \begin{aligned} x_n = \frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot②\\ x_p = \frac{\varepsilon_s}{qN_A}\vert E\vert_{max}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot③ \end{aligned} \right. ⎩⎪⎨⎪⎧xn=qNDεs∣E∣max⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅②xp=qNAεs∣E∣max⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅③ 还差一个方程,已知在平衡 P N PN PN结中,净的空穴电流和净的电子电流均为0,则有: J p = q μ p p E − q D P d p d x = 0 J_p=q\mu_ppE-qD_P \frac{dp}{dx}=0 Jp=qμppE−qDPdxdp=0 积分得: E ( x ) = D p μ p ⋅ 1 p ⋅ d p d x = k T q ⋅ d l n p d x E(x)=\frac{D_p}{\mu_p}\cdot\frac{1}{p}\cdot\frac{dp}{dx}= \frac{kT}{q} \cdot \frac{dlnp}{dx} E(x)=μpDp⋅p1⋅dxdp=qkT⋅dxdlnp (爱因斯坦关系: D p μ p = k T q \frac{D_p}{\mu_p}=\frac{kT}{q} μpDp=qkT, k k k代表玻尔兹曼常数, T T T代表热力学温度。) V b i = k T q l n p p 0 p n 0 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ④ V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{p_{p0}}{p_{n0}}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot④ Vbi=qkTlnpn0pp0⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅④ 联立①②③④,得 V b i V_{bi} Vbi: V b i = k T q l n N A N D n i 2 V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{N_AN_D}{n_i^2} Vbi=qkTlnni2NAND 由该式子可以得到 V b i V_{bi} Vbi与 N D 、 N A 、 n i N_D、N_A、n_i ND、NA、ni有关。 n i n_i ni由禁带宽度( E g E_g Eg)决定, E g E_g Eg越宽 n i n_i ni越小。硅 P N PN PN结的 V b i V_{bi} Vbi一般在0.8V左右,锗 P N PN PN结的 V b i V_{bi} Vbi一般在0.35V左右。一般解题思路: 先求 V b i V_{bi} Vbi→ ∣ E ∣ m a x \vert E \vert{max} ∣E∣max→ x n 、 x p x_n、x_p xn、xp→ x d x_d xd 5. 单边突变结的情形对于
P
+
N
P^+N
P+N单边突变结:
∵
N
A
≫
N
D
,
N
0
=
N
A
N
D
N
A
+
N
D
≈
N
A
N
D
N
A
≈
N
D
\because N_A \gg N_D,N_0=\frac{N_AN_D}{N_A+N_D} \approx\frac{N_AN_D}{N_A} \approx N_D
∵NA≫ND,N0=NA+NDNAND≈NANAND≈ND
∴
x
d
≈
x
n
≈
ε
s
q
N
D
∣
E
∣
m
a
x
,
∣
E
∣
m
a
x
=
(
2
q
N
D
ε
s
V
b
i
)
\therefore x_d\approx x_n \approx \frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}, \vert E\vert_{max}=(\frac{2qN_D}{\varepsilon_s}V_{bi})
∴xd≈xn≈qNDεs∣E∣max,∣E∣max=(εs2qNDVbi) 已知突变结耗尽区内的电场分布
E
(
x
)
E(x)
E(x) 后 ,对
E
(
x
)
E(x)
E(x)作一次积分就可以求出耗尽区内的 电位分布
Ψ
(
x
)
\Psi(x)
Ψ(x) 以及电子的电位能
−
q
Ψ
(
x
)
-q\Psi(x)
−qΨ(x) 分布。 在平衡状态下,
P
N
PN
PN 结能带图中的费米能级
E
F
E_F
EF 是水平的 ,而耗尽区中的导带底
E
C
E_C
EC、价带顶
E
V
E_V
EV 与本征费米能级
E
i
E_i
Ei 则均与电子电位能分布
−
q
Ψ
(
x
)
-q\Psi(x)
−qΨ(x)有相同的形状,因此平衡
P
N
PN
PN 结的能带图如下图所示。 根据半导体物理知识(记住就行),在非简并条件下,载流子浓度虽随能量的分布遵守玻尔兹曼分布,表示为: { n = n i e x p ( − E i − E F k T ) p = n i e x p ( − E F − E i k T ) \left\{ \begin{aligned} n=n_i exp(-\frac{E_i-E_F}{kT}) \\ p=n_i exp(-\frac{E_F-E_i}{kT}) \end{aligned} \right. ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧n=niexp(−kTEi−EF)p=niexp(−kTEF−Ei) 根据能带图: E i ( x ) = E i ( x n ) − q Ψ ( x ) E_i(x)=E_i(x_n)-q\Psi(x) Ei(x)=Ei(xn)−qΨ(x) E i ( x n ) E_i(x_n) Ei(xn)为 N N N区边界处的本征费米能级,等于 N N N区中性区的。对电子可得: n ( x ) = n i e x p ( − E i − E F k T ) = n i e x p ( − E i ( x n ) − q Ψ ( x ) − E F k T ) = n i e x p [ − E i ( x n ) − E F k T ] e x p [ q Ψ ( x ) k T ] = n n 0 e x p [ q Ψ ( x ) k T ] \begin{aligned} n(x) & =n_iexp(-\frac{E_i-E_F}{kT})\\ & =n_iexp(-\frac{E_i(x_n)-q\Psi(x)-E_F}{kT})\\ & = n_iexp[-\frac{E_i(x_n)-E_F}{kT}]exp[\frac{q\Psi(x)}{kT}]\\ & = n_{n0}exp[\frac{q\Psi(x)}{kT}] \end{aligned} n(x)=niexp(−kTEi−EF)=niexp(−kTEi(xn)−qΨ(x)−EF)=niexp[−kTEi(xn)−EF]exp[kTqΨ(x)]=nn0exp[kTqΨ(x)] 同理,对空穴可得: p ( x ) = n i e x p ( − E F − E i ( x n ) + q Ψ ( x ) k T ) = n i e x p ( − E F − E i ( x n ) − q V b i + q V b i + q Ψ ( x ) k T ) = n i e x p [ − E F − E i ( − x p ) k T ] e x p [ − q Ψ ( x ) + q V b i k T ] = p p 0 e x p [ − q Ψ ( x ) + q V b i k T ] \begin{aligned} p(x) & =n_iexp(-\frac{E_F-E_i(x_n)+q\Psi(x)}{kT})\\ & =n_iexp(-\frac{E_F-E_i(x_n)-qV_{bi}+qV_{bi}+q\Psi(x)}{kT})\\ & =n_iexp[-\frac{E_F-E_i(-x_p)}{kT}]exp[-\frac{q\Psi(x)+qV_{bi}}{kT}]\\ & =p_{p0}exp[-\frac{q\Psi(x)+qV_{bi}}{kT}] \end{aligned} p(x)=niexp(−kTEF−Ei(xn)+qΨ(x))=niexp(−kTEF−Ei(xn)−qVbi+qVbi+qΨ(x))=niexp[−kTEF−Ei(−xp)]exp[−kTqΨ(x)+qVbi]=pp0exp[−kTqΨ(x)+qVbi] 结合 V b i V_{bi} Vbi表达式,得到结定律边界条件: { x = − x p 处 , Ψ ( x ) = − V b i , n ( − x p ) = n n 0 e x p [ − V b i k T ] , p ( − x p ) = p p 0 x = x n 处 , Ψ ( x ) = 0 , n ( x n ) = n n 0 , p ( x n ) = p p 0 e x p [ − V b i k T ] \left\{ \begin{aligned} x & =-x_p处,\Psi(x)=-V_{bi},n(-x_p)= n_{n0}exp[-\frac{V_{bi}}{kT}],p(-x_p)=p_{p0} \\ x&=x_n处,\Psi(x)=0,n(x_n)= n_{n0},p(x_n)=p_{p0}exp[-\frac{V_{bi}}{kT}] \end{aligned} \right. ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧xx=−xp处,Ψ(x)=−Vbi,n(−xp)=nn0exp[−kTVbi],p(−xp)=pp0=xn处,Ψ(x)=0,n(xn)=nn0,p(xn)=pp0exp[−kTVbi] 这里不是特别重要,主要后面要用到结定律。 2.1.4 线性缓变结线性缓变结中:
N
(
x
)
=
N
D
−
N
A
=
a
x
N(x)=N_D-N_A=ax
N(x)=ND−NA=ax 积分可得: ∣ E ∣ = ∣ E ∣ m a x ⋅ [ 1 − ( 2 x x d ) 2 ] \vert E \vert=\vert E \vert_{max}\cdot[1-(\frac{2x}{x_d})^2] ∣E∣=∣E∣max⋅[1−(xd2x)2] 边界条件为: E ( − x d 2 ) = E ( x d 2 ) = 0 E(-\frac{x_d}{2})=E(\frac{x_d}{2})=0 E(−2xd)=E(2xd)=0 由上述条件可得: ∣ E ∣ m a x = a q x d 2 8 ε s \vert E \vert_{max}=\frac{aqx_d^2}{8\varepsilon_s} ∣E∣max=8εsaqxd2 内建电势由对 ∣ E ∣ \vert E \vert ∣E∣积分可得: V b i = ∫ − x d 2 x d 2 ∣ E ∣ d x = 2 3 ∣ E ∣ m a x x d x d = ( 12 ε s V b i a q ) 1 3 ∣ E ∣ m a x = 1 8 ( a q ε s ) 1 3 ( 12 V b i ) 2 3 V_{bi}=\int_{-\frac{x_d}{2}}^{\frac{x_d}{2}} \vert E \vert dx=\frac{2}{3}\vert E \vert_{max}x_d \\ x_d=(\frac{12\varepsilon_sV_{bi}}{aq})^{\frac{1}{3}}\\ \vert E \vert_{max}=\frac{1}{8}(\frac{aq}{\varepsilon_s})^{\frac{1}{3}}(12V_{bi})^{\frac{2}{3}} Vbi=∫−2xd2xd∣E∣dx=32∣E∣maxxdxd=(aq12εsVbi)31∣E∣max=81(εsaq)31(12Vbi)32 在线性缓变结中, N A 和 N D N_A和N_D NA和ND分别为耗尽区边界杂质浓度,即: N ( − x d 2 ) = N ( x d 2 ) = a x d 2 N(-\frac{x_d}{2})=N(\frac{x_d}{2})=\frac{ax_d}{2} N(−2xd)=N(2xd)=2axd 所以 V b i = k T q l n N A N D n i 2 = k T q l n ( a x d 2 n i ) 2 V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{N_AN_D}{n_i^2}=\frac{kT}{q}ln(\frac{ax_d}{2n_i})^2 Vbi=qkTlnni2NAND=qkTln(2niaxd)2 以上关于平衡 P N PN PN结的各公式,都可推广到有外加电压时的情形 。 如果设外加电压全部降落在耗尽区上,则只需将各公式中的 V b i V_{bi} Vbi 用 ( V b i − V ) (V_{bi}-V) (Vbi−V)代替即可。注意外加电压的参考极性与 V b i V_{bi} Vbi 相反。 2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性以上在求解泊松方程时采用了耗尽近似和中性近似。实际上载流子在所谓的耗尽区内并未严格耗尽,这从 n ( x ) n(x) n(x) 和 p ( x ) p(x) p(x)的表达式也可看出来。载流子浓度在耗尽区和中性区的边界附近也是逐渐过渡的,在中性区中靠近耗尽区的地方,载流子浓度已开始减少。然而严格的计算表明,精确结果与采用耗尽近似所得到的结果是相当接近的,采用耗尽近似不致引入太大的误差,但却可使计算大为简化。所以耗尽近似在分析半导体器件时得到了广泛的应用。 此内容为非考试内容,了解即可。 |
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