6.1 半導體pn結的形成

6.1.1 pn結的形成和雜質分布

熱平衡條件下半導體的理想突變pn結如圖6-1所示。設pn結界面兩側為均勻摻雜的p型硅和n型硅，摻雜濃度分別為N_A和N_D。在室溫條件下，雜質原子全部電離，在p型硅中分布著濃度為p_p的空穴和濃度為n_p的電子（在p型硅中，電子為少子），在n型硅中分布著濃度為n_n的電子和濃度為p_n的空穴（在n型硅中，空穴為少子）。如圖6-1（a）所示，當p型硅和n型硅相互接觸時，構成pn結，由于交界面兩側的電子和空穴的濃度不同，存在載流子濃度梯度，引起載流子擴散?？昭◤膒型區擴散到n型區，電子從n型區擴散到p型區，如圖6-1（c）所示。由于半導體中受主離子是固定在晶格上的，不能移動，而空穴卻可以移動?？昭x開p型區后，pn結附近一些受主負離子（N_A）得不到補償，導致pn結附近p型側形成負空間電荷區。類似地，電子離開n型區后，在pn結附近的n型一側也留下一些帶正電的施主離子（N_D）得不到補償，在n型側形成正空間電荷區。結果，兩種多子擴散電流的方向相反，整個空間電荷區是一個電偶層，產生從正電荷指向負電荷的自建電場（也稱內建電場），其方向如圖6-1（e）下部所示。在內建電場作用下，載流子做漂移運動。顯然，電子和空穴的漂移運動方向相反，與它們各自的擴散運動方向也相反。內建電場起著阻礙電子和空穴繼續擴散的作用。隨著擴散運動的進行，空間電荷逐漸增多，內建電場增強，漂移運動也同時增強，直至方向相反的擴散電流和漂移電流的大小相等，互相抵消，凈電流為零，達到動態平衡。此時，空間電荷區也稱為平衡時pn結的結區。

在pn結界面兩側分別由固定電離雜質形成的正、負電荷區中，由于電子或空穴幾乎全都流失或復合殆盡，所以這一層也稱耗盡層。

空間電荷區的寬度隨摻雜濃度的增高而變窄。自建電場兩邊的電勢差稱為pn結的接觸勢壘。電子或空穴都要克服這個勢壘才能越過pn結，所以空間電荷區也稱勢壘區或阻擋層。勢壘的高度與材料的性質、n型區和p型區的摻雜濃度和溫度有關。

圖6-1 熱平衡條件下半導體的理想突變pn結

在圖6-1中，（a）所示為均勻摻雜的p型硅和n型硅；（b）所示為空間電荷區電荷分布；（c）所示為當p型硅與n型硅相互接觸時，由于交界面兩側的電子和空穴的濃度不同，電子和空穴產生擴散運動；（d）所示為各區載流子分布；（e）所示為由空間電荷區的電偶層建立起來的由n型區指向p型區的內建電場；（f）所示為空間電荷區的電場強度分布；（g）所示為n型區和p型區摻雜濃度分別為N_A和N_D的雜質分布；（h）所示為靜電勢的分布，其變化與電子勢能相反。

6.1.2 pn結的能帶結構

圖6-2所示為pn結的能帶結構。按照能帶理論，n型半導體中電子濃度大，準費米能級E_Fn位置較高；p型半導體中空穴濃度大，準費米能級E_Fp位置較低，如圖6-2（a）所示。

當兩者形成pn結時，載流子先擴散、后漂移。在自建電場作用下，電子將從費米能級高處移向低處，而空穴則相反。n型區能帶下移，p型區能帶上移，直到在形成pn結的半導體中有了統一的費米能級E_F（E_Fn=E_Fp=E_F），達到平衡，如圖6-2（b）所示。

平衡狀態下的pn結，價帶和導帶彎曲形成勢壘，如圖6-2（c）所示。圖中，E_ip、E_in分別表示p型區和n型區中的本征費米能級，ψ_Bp=（E_ip-E_Fp）/q和ψ_Bn=（E_in-E_Fn）/q分別為p型區和n型區的靜電勢（也稱費米勢），ψ_D=ψ_Bn+ψ_Bp為總靜電勢。熱平衡時，總靜電勢就是空間電荷區兩端間電勢差，稱之為接觸電勢差，即pn結自建電壓V_bi。

圖6-2 pn結的能帶結構