半导体pn结异质结和异质结构ppt课件.ppt
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1、半导体,本征半导体,非本征半导体半导体,本征半导体,非本征半导体 半导体半导体: 最外层价电子填满了价带,导带没有电子,最外层价电子填满了价带,导带没有电子,有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能有一定带隙宽度。在一定条件下使价带中的电子获得能量跃迁到导带中,在价带中形成空穴,在导带中出现电量跃迁到导带中,在价带中形成空穴,在导带中出现电子时,半导体导电。子时,半导体导电。 本征半导体本征半导体:不掺杂的半导体。此时的费米能级在带不掺杂的半导体。此时的费米能级在带隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到隙的中间。价带中的电子靠热激发或光激发直接跃迁到导带,使空穴和电子的浓度相
2、等。随着温度的升高本征导带,使空穴和电子的浓度相等。随着温度的升高本征半导体的导电性能变大。半导体的导电性能变大。 非本征半导体非本征半导体:是掺杂的半导体。由于在价带和导带是掺杂的半导体。由于在价带和导带分别加入的空穴和自由的电子,使半导体的导电性能发分别加入的空穴和自由的电子,使半导体的导电性能发生改变。生改变。 如:五价的杂质原子(如:五价的杂质原子(P,As)掺入四价)掺入四价Si后必有一个后必有一个电子成为自由电子运动在导带中,形成电子导电类型的电子成为自由电子运动在导带中,形成电子导电类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导致原来型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导
3、致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体中加入 三价的杂质原子(三价的杂质原子(B),与硅的结合将有一个键悬空,形),与硅的结合将有一个键悬空,形成空穴,此空穴可以在价带中自由移动,形成了空穴导成空穴,此空穴可以在价带中自由移动,形成了空穴导电类型的电类型的p型半导体,由于有空穴的进入导致原来在带隙型半导体,由于有空穴的进入导致原来在带隙中的费米能级逐渐向下移。中的费米能级逐渐向下移。本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度ni, p i本征半导体本征半导体: ni = pi = n =p = 4.9 E15 (me mh/mo)3/4
4、T3/2 exp(-Eg/2KT) = A T3/2 e(-Eg/2KT) 是温度是温度T,禁带宽度禁带宽度Eg的函数的函数,温度越高温度越高, ni越大越大, Eg越宽越宽, ni越小越小T为为3OOK时时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3ni pi = 1.96 E20/cm-3 杂质半导体杂质半导体ni,电子浓度电子浓度n,空穴浓度空穴浓度p 之间的关系之间的关系n = ni e(Ef-Ei)/kT,P = ni e(Ei-Ef)/kT,ni2 = n pEi本征费米能级本征费米能级 Ef杂质费米能杂质费米能,在在n型半导体中型半导体中,np,因此因此, EfEi在
5、在p型半导体中型半导体中, pn,因此因此, EiEfn型型p型半导体的能带结构型半导体的能带结构 EoEcEvEi , EfiEg E fnE fpEsXsWn Wpp-n结形成的内部机理 施主和受主,电子和空穴(载流子,移动电荷),空间电荷(固定离子) 多数载流子和少数载流子,(载流子的扩散运动,空间电荷区的形成,内建电场的建立), 内建电场阻止多数载流子的进一步扩散,增强了少数载流子在反方向的漂移运动,最后达到动态平衡(热平衡,电中性),随温度变化时,平衡被破坏)几个重要参数和概念 接触电位差接触电位差: 由于空间电荷区存在电场,方向由N到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接触电位
6、差,它与半导体的类型(禁带宽度),杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般为0.几V到 1.几V 势垒高度势垒高度: 在空间电荷区内电子势能为-qV,因此电子从N区到P区必须越过这个势能高度,该高度称作势垒高度势垒高度PN结的伏安结的伏安(I-V)(I-V)特性:特性: I I为流过为流过PN结的电流;结的电流;Is为为PN结的反向饱和电流,与温度和材料有关的参数,结的反向饱和电流,与温度和材料有关的参数,V为外加电压;为外加电压; Vt=kT/q,为为温度的电压当量(温度的电压当量(Vt=26mV.),当外加正向电压),当外加正向电压V为为正值且比正值且比Vt大几倍时大几倍时, 正向电流随正向
7、电压的增加按指数规律增大正向电流随正向电压的增加按指数规律增大,PN结为正向结为正向导通状态导通状态.外加反向电压即外加反向电压即v为负值,且为负值,且|v|比比Vt大几倍时,大几倍时,PN结只流过很小的反结只流过很小的反向饱和电流,且数值上基本不随外加电压而变,向饱和电流,且数值上基本不随外加电压而变,PN结呈反向截止状态。由结呈反向截止状态。由PN结结的的I/VI/V特性曲线得到:特性曲线得到:PN结具有单向导电性和非线性伏安特性结具有单向导电性和非线性伏安特性. PN结的正向导电性结的正向导电性 在在PN结上外加一电压结上外加一电压 ,如果,如果P型一边接型一边接正极正极 ,N型一边接负
8、极,电流便从型一边接负极,电流便从P型一边型一边流向流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,甚至消失,多数载流使空间电荷区变窄,甚至消失,多数载流子在电场的作用下可以顺利通过。如果子在电场的作用下可以顺利通过。如果N型型一边接外加电压的正极,一边接外加电压的正极,P型一边接负极,型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是是PN结的单向导电性。结的单向导电性。 PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区变宽空间电荷区变宽, 电场增
9、电场增强强, 阻止了多数载流子的扩散阻止了多数载流子的扩散,而而P区和区和N区的少数区的少数载流子电子和空穴沿反向电场运动载流子电子和空穴沿反向电场运动,产生反向漏电产生反向漏电流流,由于少子是本征激发由于少子是本征激发,它决定于温度而不决定于它决定于温度而不决定于反向电压反向电压,当反向电压增大到一定程度足以把少子当反向电压增大到一定程度足以把少子全部吸引过来时全部吸引过来时,电流达到恒定电流达到恒定,称作反向饱和漏电称作反向饱和漏电流流, 当反向电压再增大电流突然增大时当反向电压再增大电流突然增大时,称作称作PN结结击穿。如果外电路不能限制电流,则电流会大到击穿。如果外电路不能限制电流,则
10、电流会大到将将PN结烧毁结烧毁. PN结加反向电压时结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变改变,反向时电容减小正向时电容增大反向时电容减小正向时电容增大.PN结的反向电压特性及电容特性结的反向电压特性及电容特性 半导体同质半导体同质p-n结结,异质结的形成异质结的形成 采用不同的掺杂工艺采用不同的掺杂工艺,将将P型半导体与型半导体与N型半导体制型半导体制作在同一块半导体上作在同一块半导体上,在它们的交界面就形成空间电在它们的交界面就形成空间电荷区称荷区称PN结。结。 一块单晶半导体中一
11、块单晶半导体中 ,一部分掺有受主杂质是,一部分掺有受主杂质是P型型半导体,另一部分掺有施主杂质是半导体,另一部分掺有施主杂质是N型半导体时型半导体时 ,P 型半导体和型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。结。 PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的料制成的 PN 结叫同质结结叫同质结 ,由禁带宽度不同的两种半,由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的导体材料制成的PN结叫异质结。结叫异质结。 制造同质制造同质PN结的方法有合金法、扩散法、离子注结的方法有合金法、扩散法、离子注入法、外延生长法等。入法、外
12、延生长法等。 制造异质结通常采用外延生长法制造异质结通常采用外延生长法。PN结的应用结的应用 根据根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。 1. 用用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管,极管, 2. 利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管;利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管; 3. 利用高掺杂利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管;结隧道效应制作隧道二极管; 4. 利用结
13、电容随外电压变化效应制作变容二极管利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管; 5. 将半导体的光电效应与将半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。结相结合还可以制作多种光电器件。 如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管;管与半导体发光二极管; 6. 利用光辐射对利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器;结反向电流的调制作用可以制成光电探测器; 7. 利用光生伏特效应可制成太阳电池利用光生伏特效应可制成太阳电池; 8. 利用两个利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大
14、,振荡等多种电子结之间的相互作用可以产生放大,振荡等多种电子功能功能; PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心,是现代微电子结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心,是现代微电子技术、光电子技术的基础。技术、光电子技术的基础。半导体异质结半导体异质结基本基本概念:概念: 异质结异质结就是一种半导体材料生长在另一种就是一种半导体材料生长在另一种半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种半导体材料上所形成的接触过渡区。依照两种材料的导电类型分同型异质结(材料的导电类型分同型异质结(P-p结或结或N-n结)结)和异型异质和异型异质(P-n或或p-N)结。结。按照两种材料晶格常按照两种材料晶格常数
15、的失配程度,异质结可分为两类,即匹配型数的失配程度,异质结可分为两类,即匹配型异质结和失配型异质结和失配型异质结,由于异质结,由于两种异质材料具两种异质材料具有不同的物理化学参数(如电子亲和势、有不同的物理化学参数(如电子亲和势、 能带能带结构结构、介电常数、晶格常数等)、介电常数、晶格常数等), 接触界面处产接触界面处产生各种物理化学属性的失配,使异质结具有许生各种物理化学属性的失配,使异质结具有许多不同于同质多不同于同质PN结的新特性。结的新特性。异质结的能带结构异质结的能带结构 半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成,它们半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成,它们各具不同的
16、能带隙。研究较多的是各具不同的能带隙。研究较多的是GaAs 化合物、化合物、SiGe之类的之类的半导体合金半导体合金,目前按异质结中两种材料导带和价带的对准情况目前按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为可以把异质结分为型异质结和型异质结和型异质结两种,两种异质结型异质结两种,两种异质结的能带结构如图所示。的能带结构如图所示。半半导体异质结构的基本特性导体异质结构的基本特性 半导体异质结构,是将不同材料的半导体薄膜,依先后次序半导体异质结构,是将不同材料的半导体薄膜,依先后次序外外延淀延淀积在同一衬底上。如图积在同一衬底上。如图所述的是利用半导体异质结构所作成的所述的是利用半导体
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