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同质P-N结的能带结构图是如何得出的

归档日期:08-19       文本归类:能代市      文章编辑:爱尚语录

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  因为在p-n结界面附近处存在着内建电场,而该内建电场的方向正好是阻挡着空穴进一步从p型半导体扩散到n型半导体去,同时也阻挡着电子从n型半导体进一步扩散到p型半导体去。于是从能量上来看,由于空间电荷-内建电场的出现,就使得电子在p型半导体一边的能量提高了,同时空穴在n型半导体一边的能量也提高了;而在界面附近处产生出了一个阻挡载流子进一步扩散的势垒——p-n结势垒。根据内建电场所引起的这种能量变化关系,即可画出p-n结的能带图。在达到热平衡之后,两边的Fermi能级(EF)是拉平(统一)的。能带的倾斜就表示着电场的存在。

  采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。PN结具有单向导电性,是电子技术中许多器件所利用的特性,例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

  展开全部p-n结基本概念是解决许多微电子和光电子器件的物理基础。对于许多半导体器件问题的理解不够深透,归根到底还在于对于p-n结概念的认识尚有模糊之处的缘故。

  因为p-n结的一个重要特点就是其中存在有电场很强的空间电荷区,故p-n结的形成机理,关键也就在于空间电荷区的形成问题;p-n结的能带也就反映了空间电荷区中电场的作用。

  p型半导体和n型半导体在此需要考虑的两个不同点即为(见图(a)):①功函数W不同;②主要(多数)载流子种类不同。因此,当p型半导体和n型半导体紧密结合而成的一个体系——p-n结时,为了达到热平衡状态(即无能量转移的动态平衡状态),就会出现载流子的转移:电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去,或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。对于同质结而言,载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散;对于异质结(例如Si-Ge异质结,金属-半导体接触)而言,载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。

  现在考虑同质p-n结的形成:在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处(即冶金学界面附近处),当有空穴从p型半导体扩散到n型半导体一边去了之后,就在n型半导体中增加了正电荷,同时在p型半导体中减少了正电荷,从而也就在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心;与此同时,当有电子从n型半导体扩散到p型半导体一边去了之后,就在p型半导体中增加了负电荷,同时在n型半导体中减少了负电荷,从而也就在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。这就意味着,在p型半导体一边多出了负电荷(由电离受主中心和电子所提供),在n型半导体一边多出了正电荷(由电离施主中心和空穴所提供),这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷,它们都局限于接触边缘附近处,以电偶极层的形式存在,如图(b)所示。

  由于在两种半导体接触边缘的附近处存在着正、负空间电荷分列两边的偶极层,所以就产生出一个从n型半导体指向p型半导体的电场,称为内建电场。在此,内建电场仅局限于空间电荷区范围以内,在空间电荷区以外都是不存在电场的电中性区。

  至于势垒区中内建电场的分布形式,决定于空间电荷的分布,主要是决定于掺杂浓度的分布。对于掺杂浓度在p-n结冶金学界面处突然改变者,称为突变结,其中内建电场在势垒区两边的分布基本上是线性分布;对于掺杂浓度在p-n结冶金学界面处线性地改变者,称为线性缓变结,其中内建电场的分布近似为亚抛物线) p-n结的势垒和能带:

  因为在p-n结界面附近处存在着内建电场,而该内建电场的方向正好是阻挡着空穴进一步从p型半导体扩散到n型半导体去,同时也阻挡着电子从n型半导体进一步扩散到p型半导体去。于是从能量上来看,由于空间电荷-内建电场的出现,就使得电子在p型半导体一边的能量提高了,同时空穴在n型半导体一边的能量也提高了;而在界面附近处产生出了一个阻挡载流子进一步扩散的势垒——p-n结势垒。根据内建电场所引起的这种能量变化关系,即可画出p-n结的能带图,如图(c)所示。在达到热平衡之后,两边的Fermi能级(EF)是拉平(统一)的。能带的倾斜就表示着电场的存在。

  实际上,在p-n结界面处的内建电场就使得p型半导体与n型半导体之间产生了电位差——内建电势差(或内建电压)。电场越强,内建电势差就越大。此内建电势差所对应的能量差(能量差=电势差×电子电荷),即为p-n结的势垒高度。虽然势垒高度并不直接反映的内建电场的大小,因为内建电场在势垒区中的分布可能不一定均匀(决定于空间电荷密度的分布),然而内建电场分布曲线下面的面积却总是一定的(即内建电压不变)。所以,电场越强,势垒高度也就越大。

  注意: a)从热平衡时p-n结能带图的形成来看(比较图(a)和图 (c)),势垒高度实际上也就等于两边半导体在接触之前的Fermi能级之差,即:势垒高度= EFn - EFp。 b)内建电势差是p-n结为了达到热平衡、而在内部自动产生出来的一个电势差,只是局限于p-n结界面附近;该电势差在外面不可能表现出来,因为这时p-n结体系是处于热平衡状态,不可能对外做功。

  因为p-n结中内建电势差的存在,就使得电子在p型半导体一边的势能要高于n型半导体一边,空穴的势能恰恰相反。而电子的势能可看成是导带底能量,空穴的势能可看成是价带顶能量,所以p-n结两边的整个能带的高低,就相差一个与此内建电势差相对应的势能差——p-n结的势垒高度。由于电场等于势能梯度,因此能带在势垒区中是倾斜的,在以外是水平的,如图(c)所示。

  存在内建电场的区域就是势垒区,势垒区的厚度(或宽度)与半导体的掺杂浓度等因素有关。可以想见,在掺杂浓度一定(即空间电荷密度一定)的条件下,内建电场越强、势垒高度越大,势垒厚度也就将越大;但势垒厚度与势垒高度之间不是简单的线性关系,这决定于掺杂浓度的分布形式(突变结近似为平方根关系,线性缓变结近似为立方根关系)。

  ①在单独的n型半导体或者p型半导体中,电子的势能都是一样的(可以认为都是导带底能量),空穴亦然(价带顶能量);但是在热平衡的p-n结中,因为n型和p型这两边之间存在着内建电势差,则电子在n型半导体中和在p型半导体中的势能就不一样了,所以导带底以及价带顶在两边的高低也就有所不同了(即p型半导体一边的整个能带都要高于n型半导体一边的整个能带)。

  ②对于一般的p-n结,它的势垒区与空间电荷区是重合的(但是,pin结的势垒区要比空间电荷区宽得多),因此只有在p-n结势垒区中才存在着内建电场,在势垒区以外是电中性区。从而,p-n结势垒区中的能带是倾斜的,载流子在势垒区以内的运动主要靠漂移;但在势垒区以外的能带是水平的,载流子的运动主要靠扩散。对于势垒区以外、两边的电中性区,其中一个扩散长度大小的范围特称为扩散区,因为这是少数载流子能够扩散到势垒区边缘的一个有效范围,在此范围以外的电中性区中的少数载流子就难以扩散到势垒区。

  ③因为势垒区是在冶金学界面附近处的一个区域,其厚度一般较薄,所以势垒区中的内建电场通常都较强;而内建电场起着把导带电子驱赶到n型半导体、把价带空穴驱赶到p型半导体中去的作用,于是势垒区中留下的载流子数目往往很少。从而,在一定的近似程度上,就可以认为势垒区中的载流子完全被驱赶出去了——载流子被耗尽了,即认为势垒区为一个耗尽层。在耗尽层近似下,p-n结中的空间电荷就完全看成是由电离杂质中心所提供的

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