n结

实验 p-n 结的显示与结深的测量在用平面工艺制造晶体管和集成电路中，一般用扩散法制作p-n 结。

由于扩散杂质与外延层杂质的类型不同，所以在外延层中某一个位置，其掺入杂质浓度与外延层杂质浓度相等，从而形成了p-n 结。

将p-n 结材料表面到p-n 结界面的距离称为p-n 结结深，一般用X j 表示。

由于基区宽度决定着晶体管的放大倍数β、特征频率f T 等电参数，而集电结结深X jc 和发射结结深X je 之差就是基区宽度，因此必须了解并掌握测量结深的原理和方法。

测量结深的方法有磨角法、滚槽法，也可以采用阳极氧化剥层法直接计算得出。

本实验采用磨角法。

本实验的目的是学会用磨角器磨角法制作p-n 结，采用电解水氧化法显示p-n 结；并利用金相显微镜测量结深。

一、实验原理在测量结深时，首先要对p-n 结表面进行染色显示，以明确p 区和n 区的界面位置。

本实验采用电解水氧化法显示p-n 结。

该方法简单方便、容易掌握、实验效果好，最大的优点是对同一样片可反复氧化显示，直至清晰满意。

在此，首先介绍电解水氧化法显示p-n 结的原理，然后再介绍用磨角法测量结深的一般过程。

1．电解水氧化法显示p-n 结的原理水图 30.1电解水氧化法显示p-n 结的实验装置如图30.1所示。

把经过磨角暴露p-n 结的硅片接在电解水电路的阳极上，并将需要显结的那一部分硅片浸于水中，在水溶液中，由于水分子电离生成一定浓度的H +离子和OH -离子H 2O →H ++OH -当电路接通时，在阳极硅片上放电的同时生成了二氧化硅，其反应方程为 4OH -+Si →SiO 2+2H 2O这是一个电化学反应过程—阳极氧化，随着电解电压的增高，水分子激烈地被电离，在阳极表面不断有氧气生成。

经电解水氧化后，阳极硅片上的n 区和p 区分别生长了厚度不同的SiO 2薄膜，由于SiO 2薄膜厚度不同，所以呈现出的颜色也不同，因此在显微镜下就能清楚地看到n 区、p 区及其分界面p-n 结的位置。

简述p-n结的形成原理嘿呀，今天咱们来唠唠这个超有趣的p - n结是咋形成的呢。

咱先得知道啥是p型半导体和n型半导体。

你就把半导体想象成一个小小的世界，里面住着好多电子小伙伴呢。

p型半导体啊，就像是这个小世界里有一些特殊的地方，这里面有一些“空穴”。

啥是空穴呢？你可以把它想象成是电子的小窝，但是现在小窝里没有电子，空着呢。

这些空穴就像一个个小陷阱，等着电子来填满它们。

而n型半导体呢，这里面电子可多啦。

就像是一个热闹的电子大家庭，电子们到处跑来跑去的。

当我们把p型半导体和n型半导体放在一块儿的时候，哇塞，有趣的事情就开始发生啦。

在它们俩接触的地方啊，那些电子就像调皮的小娃娃，发现了新的天地。

n型半导体里的电子看到p型半导体里的空穴，就忍不住要跑过去。

为啥呢？因为电子就喜欢往那些有空穴的地方钻呀，就像小孩子看到好玩的小窝就想进去一样。

可是呢，这个过程也不是那么顺利的。

当电子从n型半导体往p型半导体跑的时候，就好像是从一个热闹的城市跑到了一个有点空荡的小镇。

在它们接触的边界那里，就开始有了一些特别的变化。

在这个边界附近啊，n型半导体这边因为跑掉了一些电子，就变得有点像带正电了呢。

而p型半导体那边，因为来了好多电子，就有点像带负电了。

这就好像是两个小伙伴，一个给了另一个好多小糖果，给糖果的那个就有点“亏空”了，而得到糖果的那个就变得满满的。

这时候啊，就形成了一个内建电场。

这个内建电场就像是一个小小的守门员，它会阻止更多的电子从n型半导体往p型半导体跑。

因为电子带负电嘛，这个内建电场就会把电子往回拉。

但是呢，这个平衡也不是完全静止的哦。

还是会有一些电子偷偷地越过这个障碍，从n型半导体跑到p型半导体，只是这个数量就比较稳定了。

你看，这个p - n结就这么形成啦。

它就像是一个小小的结界，两边有着不同的情况，一边电子多，一边空穴多，中间还有这个内建电场在维持着一种微妙的平衡。

这个p - n结可是超级重要的呢，在好多电子设备里都起着关键的作用，就像一个小小的魔法结界，让那些电子设备能够正常工作，是不是超级神奇呀？再说说这个p - n结的内部情况吧。

光催化p-n结的特点如下：
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。

p-n结原理p-n结的工作原理可以从多个方面来解释。

首先，能带理论可以用来解释p-n结的形成和特性。

在没有外加电压的情况下，p型半导体的价带高于n型半导体的导带。

当p-n结形成后，由于能量差的存在，会形成一个内建电场。

这个内建电场会阻碍载流子的自由移动，使得p区的空穴向n区扩散，n区的电子向p区扩散，形成一个电子云和空穴云。

其次，外加电压作用在p-n结上时，会改变p区和n区之间的电势差，进而改变内建电场的强度。

当外加电压为正向偏置时，即使p区的电势高于n区，但由于外加电压的作用，使得内建电场减弱。

这样，空穴和电子就可以克服内建电场的阻碍，自由移动并通过p-n结。

这种情况下，p-n结呈现出较小的电阻，称为正向工作状态。

而当外加电压为反向偏置时，即使p区的电势低于n区，但由于外加电压的作用，使得内建电场增强。

这样，内建电场会进一步阻碍载流子的移动，使得p-n结的电阻增加。

这种情况下，p-n结呈现出很高的电阻，称为反向工作状态。

此外，在正向工作状态下，当电子从n区注入p区时，与p 区的空穴发生复合，释放出能量。

同样的，当空穴从p区注入n 区时，与n区的电子发生复合，也会释放出能量。

这些能量以热量的形式散失，使得p-n结温度升高。

此时，如果外界给p-n结提供了足够的冷却条件, p-n结温度将保持稳定。

最后，p-n结还具有整流效应。

在正向工作状态下，由于内建电场减弱，导致载流子容易通过p-n结,形成电流。

而在反向工作状态下,由于内建电场增强,阻碍了载流子的移动,电流极小。

这种特性使得p-n结在电子学中被广泛应用,如二极管等。

总的来说，p-n结的工作原理涉及能带理论、内建电场、载流子注入和扩散以及整流效应等多个方面。

这些原理共同作用,使得p-n结具有正向导通和反向截止的特性,从而实现了半导体器件的正常工作。

p-n结原理1：p-n结的形成和能带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。

(1) 载流子的转移：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。

(2) 空间电荷和内建电场的产生：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。

PN结的形成一、PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。

PN结是构成各种半导体器件的基础。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。

这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

于是，有一些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。

半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。

这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。

空间电荷区有时又称为耗尽区。

扩散越强，空间电荷区越宽。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。

显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。

从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。

当漂移运动和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。

二、PN结的正向导电性当PN结加上外加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反。

在这个外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。

同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄，即耗尽区由厚变薄，由于这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小。

第五章半导体P-N结5.1 P-N结如果我们在一块N型半导体中的某个区域掺入P 型杂质（或在P型半导体中的某个区域掺入N型杂质）就会在半导体中形成P-N结。

大多数器件都至少有一个P-N结，半导体器件的工作特性与工作过程与P-N 结有密切关系。

集成电路中器件与器件之间的隔离大都采用反向偏置的P-N结隔离，利用P-N结的特性制作的稳压二极管，整流二极管都在电路中大量应用。

另外通过P-N结二极管的分析，我们可以建立一些基本概念，这些概念在讨论其它器件时也会用到。

分析P-N结的一些技巧也适用于其它半导体器件。

所以，理解和掌握P-N结原理和概念是学习半导体器件理论的关键。

5.2 P-N结的结构P-N结所处的位置是两种杂质的交接面，其交接面称为冶金结面。

在静态（P-N结的两端不加外电压）交界面处的净电荷为零。

为简单起见，我们首先讨论突变结的情况，突变结的特点是：每个掺杂区的杂质分布是均匀的，在结的交界面处，杂质浓度有个突然的跳变。

这种假设意味着结的交界面处电子和空穴都有较大的浓度梯度，由于浓度不同，N区的多子电子向P区扩散，P区的多子空穴向N区扩散。

如果P-N结没有外加电压，那么这种由于两边的浓度差引起的多子载流子的相向扩散过程就不会无限延续下去。

随着电子由N区向P区扩散，带正电的施主离子留在了N区；同样，随着空穴由P区向N区扩散，带负电的受主离子留在了P区。

N 区与P区的带正电的施主离子和带负电的受主离子在冶金结的附近形成了一个内建电场，电场的方向由N区指向P区。

带正电的施主离子和带负电的受主离子所在的区域叫空间电荷区。

该区中的电子和空穴在相互扩散的过程中都被复合（中和）湮灭了，不存在任何可动的电荷，所以有时也称该区为耗尽区。

在没有完成扩散之前，内建电场的建立也不会完成。

扩散过程增大了内建电场，内建电场又进一步阻止了的扩散。

载流子的扩散过程和内建电场的建立过程是同时完成的，最终达到了平衡。

值得注意的是完成这一过程所需要的时间及其短暂。