6.1 半导体pn结的形成

6.1.1 pn结的形成和杂质分布

热平衡条件下半导体的理想突变pn结如图6-1所示。设pn结界面两侧为均匀掺杂的p型硅和n型硅，掺杂浓度分别为N_A和N_D。在室温条件下，杂质原子全部电离，在p型硅中分布着浓度为p_p的空穴和浓度为n_p的电子（在p型硅中，电子为少子），在n型硅中分布着浓度为n_n的电子和浓度为p_n的空穴（在n型硅中，空穴为少子）。如图6-1（a）所示，当p型硅和n型硅相互接触时，构成pn结，由于交界面两侧的电子和空穴的浓度不同，存在载流子浓度梯度，引起载流子扩散。空穴从p型区扩散到n型区，电子从n型区扩散到p型区，如图6-1（c）所示。由于半导体中受主离子是固定在晶格上的，不能移动，而空穴却可以移动。空穴离开p型区后，pn结附近一些受主负离子（N_A）得不到补偿，导致pn结附近p型侧形成负空间电荷区。类似地，电子离开n型区后，在pn结附近的n型一侧也留下一些带正电的施主离子（N_D）得不到补偿，在n型侧形成正空间电荷区。结果，两种多子扩散电流的方向相反，整个空间电荷区是一个电偶层，产生从正电荷指向负电荷的自建电场（也称内建电场），其方向如图6-1（e）下部所示。在内建电场作用下，载流子做漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向相反，与它们各自的扩散运动方向也相反。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场增强，漂移运动也同时增强，直至方向相反的扩散电流和漂移电流的大小相等，互相抵消，净电流为零，达到动态平衡。此时，空间电荷区也称为平衡时pn结的结区。

在pn结界面两侧分别由固定电离杂质形成的正、负电荷区中，由于电子或空穴几乎全都流失或复合殆尽，所以这一层也称耗尽层。

空间电荷区的宽度随掺杂浓度的增高而变窄。自建电场两边的电势差称为pn结的接触势垒。电子或空穴都要克服这个势垒才能越过pn结，所以空间电荷区也称势垒区或阻挡层。势垒的高度与材料的性质、n型区和p型区的掺杂浓度和温度有关。

图6-1 热平衡条件下半导体的理想突变pn结

在图6-1中，（a）所示为均匀掺杂的p型硅和n型硅；（b）所示为空间电荷区电荷分布；（c）所示为当p型硅与n型硅相互接触时，由于交界面两侧的电子和空穴的浓度不同，电子和空穴产生扩散运动；（d）所示为各区载流子分布；（e）所示为由空间电荷区的电偶层建立起来的由n型区指向p型区的内建电场；（f）所示为空间电荷区的电场强度分布；（g）所示为n型区和p型区掺杂浓度分别为N_A和N_D的杂质分布；（h）所示为静电势的分布，其变化与电子势能相反。

6.1.2 pn结的能带结构

图6-2所示为pn结的能带结构。按照能带理论，n型半导体中电子浓度大，准费米能级E_Fn位置较高；p型半导体中空穴浓度大，准费米能级E_Fp位置较低，如图6-2（a）所示。

当两者形成pn结时，载流子先扩散、后漂移。在自建电场作用下，电子将从费米能级高处移向低处，而空穴则相反。n型区能带下移，p型区能带上移，直到在形成pn结的半导体中有了统一的费米能级E_F（E_Fn=E_Fp=E_F），达到平衡，如图6-2（b）所示。

平衡状态下的pn结，价带和导带弯曲形成势垒，如图6-2（c）所示。图中，E_ip、E_in分别表示p型区和n型区中的本征费米能级，ψ_Bp=（E_ip-E_Fp）/q和ψ_Bn=（E_in-E_Fn）/q分别为p型区和n型区的静电势（也称费米势），ψ_D=ψ_Bn+ψ_Bp为总静电势。热平衡时，总静电势就是空间电荷区两端间电势差，称之为接触电势差，即pn结自建电压V_bi。

图6-2 pn结的能带结构