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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 基础物理 » PN结的形成和相关问题
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ravel78

木虫 (正式写手)

[求助] PN结的形成和相关问题

觉得这个版面讨论PN结很深入，也想问各位一个问题。举个大家最熟悉的P型硅和N型硅的例子。
假设它们都是中等掺杂的，为了得到统一的费米能级，电子从N型硅向P型硅扩散，空穴从P型硅
向N型硅扩散。最后的结果是形成PN结。这个PN结的厚度，根据计算公式一般在几个微米这样的数量级。

我的疑问是这样的：
假入需要几个微米才能使空间电荷积累到足够程度拉平费米能级，如果P型半导体和N型半导体本身
非常薄（P型硅和型硅都只有几十纳米的话，但还没有薄到可以隧穿的地步），PN结的厚度小于
总厚度也就非常的薄。是否存在这样一种可能性：PN结中的内建电场不足以拉平两种半导体的费米
能级而使PN结的两边长期处于不平衡的状态？
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1楼2014-07-02 17:23:32
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cf1022108

铜虫 (小有名气)

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★ ★ ★ ★ ★
感谢参与，应助指数 +1
ravel78: 金币+5, 如果绝缘体和金属接触，处于不平衡状态，费米能级会拉平吗？我的答案是不会 2014-07-03 14:38:10
这是不可能的，首先如果处于一种不平衡的状态，那么一定会有电流，也就是在不加外电场下就有电流，这是不可能。

[ 发自小木虫客户端 ]
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为推动人类社会的发展而努力奋斗
2楼2014-07-02 21:38:55
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普通回帖

metaliium

银虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
感谢参与，应助指数 +1
ravel78: 金币+10, ★有帮助, 有文献支持或者书籍支持上述结论吗？ 2014-07-03 14:39:22
当然可能了，就是一边的载流子全到另一边去了，然后就没有自由载流子了
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3楼2014-07-03 04:11:51
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ravel78

木虫 (正式写手)
引用回帖:
3楼: Originally posted by metaliium at 2014-07-03 04:11:51
当然可能了，就是一边的载流子全到另一边去了，然后就没有自由载流子了

我再说几个论述，有错误的地方恳请大家指正。最好能给出相关参考文献或者书籍。
1. 高掺杂的P型半导体，空穴是多子，电子是少子。如果遇到一个功函非常高的金属，以至金属的费米能级在P型半导体费米能级之下。
不考虑厚度问题，这两个体系能否平衡？这个时候电子显然要从半导体跑到金属，但是作为少子自由电子的浓度是很低。在某些
极限情况下，是否可能导致金属和半导体体系无法平衡？
2. 金属和完美绝缘体相接触，由于绝缘体没有自由移动载流子，两个体系费米能级不会拉平.

3. 在很多表述中，金属被描述成富于电子的水池。还有一些表述说金属中没有空穴。假如金属中没有空穴
在发光二极管和太阳能电池中，阳极金属又是如何注入空穴和收集空穴的呢？说不通啊
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4楼2014-07-03 14:49:47
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metaliium

银虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
ravel78: 金币+20, ★★★很有帮助, 谢谢你的详细回答。PN结太薄的话，能带弯曲可能不足以拉平费米能的差别。至少在有机半导体里面是这样的。 2014-07-04 00:50:37
引用回帖:
4楼: Originally posted by ravel78 at 2014-07-03 14:49:47
我再说几个论述，有错误的地方恳请大家指正。最好能给出相关参考文献或者书籍。
1. 高掺杂的P型半导体，空穴是多子，电子是少子。如果遇到一个功函非常高的金属，以至金属的费米能级在P型半导体费米能级之下。
不 ...

1、电子一定会从半导体流向金属。一种情况是金属费米能级甚至低于价带顶，那就和少子无关了，半导体里的价带电子也能跑去金属。

如果金属费米面在禁带中间，你这个问题实质上和最初的是同一个问题。如果少子就足够多，最后肯定能平衡。如果考虑极端情况少子全拿来都不够实现平衡，那有可能维持非平衡态。但我又仔细想了想，自然情况下，少子/电子应该永远都足够多，无论材料多薄。因此我之前的回答实际上是错的。为什么少子/电子永远都够呢，因为不管少子/电子浓度有多低，高于界面另一边材料费米面的都会跑过去，最后剩下的都是低于费米面的电子。材料厚薄无非是改变了界面两边材料费米面分别改变的比值。一边如果相对另一边无穷薄，那么厚的费米面完全不受影响，全由薄的降低。如果两边相当，那就是一边费米面降一边费米面升。。。但结果都是费米面拉平。
2、确实不会拉平
3、注入空穴相当于占据该态的电子流出，空穴作为非平衡载流子通过金属总是可以的

关于电子在材料界面间流动问题，1、费米面要有差；2、费米面之间要有可占据的态。。。满足这两个条件就有净电荷移动。要实现费米面不拉平的情况，只有因为没有可占据的态，也就是费米面的差在一边材料中完全是处于禁带中
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5楼2014-07-04 00:29:53
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ravel78

木虫 (正式写手)
还想和metaliium讨论一下：
1、电子一定会从半导体流向金属。一种情况是金属费米能级甚至低于价带顶，那就和少子无关了，半导体里的价带电子也能跑去金属。

我觉得多子或是少子都应该是能自由移动的载流子，价带顶以下虽然大多被电子填满，但应该不都是能自由移动的电子。所以，价带顶以下的电子不一定能进入金属。


2、如果金属费米面在禁带中间，但我又仔细想了想，自然情况下，少子/电子应该永远都足够多，无论材料多薄。为什么少子/电子永远都够呢，因为不管少子/电子浓度有多低，高于界面另一边材料费米面的都会跑过去，最后剩下的都是低于费米面的电子。材料厚薄无非是改变了界面两边材料费米面分别改变的比值。一边如果相对另一边无穷薄，那么厚的费米面完全不受影响，全由薄的降低。如果两边相当，那就是一边费米面降一边费米面升。。。但结果都是费米面拉平。

我觉得还是第一个问题里提到的，少子首先应该是能自由移动的电子（在前面假设的条件和我的理解之下）。在假设条件下，电子从半导体流向金属，如果自由电子（少子）浓度不够，费米能级应该无法拉平。极限情况就是绝缘体，根本没有电子流向金属（即便二者存在费米能的差别），二者费米能保持不变，能带也不发生弯曲。我不确定的是金属里到底有没有自由移动的空穴，如果有，金属的空穴会向半导体移动使费米能拉平。

说老实话，一直觉得空穴这种东西象是人为弄出来的。有自由电子不就等于有自由空穴？因为根据空穴的定义，自由电子离开留下空穴。自由电子的移动不就同时伴随着空穴的反向移动？
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6楼2014-07-04 01:09:23
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metaliium

银虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
ravel78: 金币+5, ★有帮助, 谢谢讨论 2014-07-04 10:55:01
leongoall: 金币+10, 追加奖励！ 2014-10-11 20:11:35
引用回帖:
6楼: Originally posted by ravel78 at 2014-07-04 01:09:23
还想和metaliium讨论一下：
1、电子一定会从半导体流向金属。一种情况是金属费米能级甚至低于价带顶，那就和少子无关了，半导体里的价带电子也能跑去金属。

我觉得多子或是少子都应该是能自由移动的载流子，价带 ...

1、价带以下的电子能流动，所有的电子都能流动，就看你给不给足够的能量。。。只要你给了足够的能量，原子内层电子都能流出来。。。
通常不太有这么极端的情况，让价带的电子高于另一个材料的费米面，所以才让你觉得价带电子不能流动。。。其实如果你去gate材料，完全可以让价带的电子动起来

2、费米面改变有两个原因：1、电子数改变。2、电势能改变。前者能带结构不变，没有能带弯曲；后者有能带弯曲，比方说MOS结、二维电子气等等

作为两个足够大的材料接触，电子足够多，因此费米面拉平的时候同时有电子数/浓度改变和电子数/浓度改变引起的反向电势场建立两种效应。因此有能带弯曲并最后拉平费米面。而电势场建立根据简单的电磁学知识我们知道主要是靠净电荷数（高斯），因此在固定电子浓度的材料中必须有一定厚度来提供足够的电荷，也就是耗尽层。而在你之前讨论的两个问题中，因为你假设一端材料足够薄，也就是没有足够的自由载流子（电子），因此建立不起足够大的反向电场，此时费米面拉平完全靠薄的一端的自由电子流去厚的一端，直到流完。因此没有足够的能带弯曲，极端的情况下甚至可以完全没有能带弯曲。但费米面仍然拉平了。。。所以你提到有机半导体的例子实际上是从能带弯曲的角度说的，并不是说费米面没拉平

3、空穴这东西，看上去像是一个人为弄出来的等效的概念，实际上没有那么单纯。我目前还没有足够的能力完全搞明白。希望以后有机会和能力来讨论这个话题
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7楼2014-07-04 01:34:19
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ravel78

木虫 (正式写手)
引用回帖:
7楼: Originally posted by metaliium at 2014-07-04 01:34:19
1、价带以下的电子能流动，所有的电子都能流动，就看你给不给足够的能量。。。只要你给了足够的能量，原子内层电子都能流出来。。。
通常不太有这么极端的情况，让价带的电子高于另一个材料的费米面，所以才让你觉 ...

1、价带以下的电子能流动，所有的电子都能流动，就看你给不给足够的能量。。。只要你给了足够的能量，原子内层电子都能流出来。。。

的确，在足够能量的激发下，任何在价带的电子都能移动。（比如UPS测试中的内核电子）但并不是我们所说的自由移动。半导体物理中所说的多子或少子应该都是能够自由移动，在外界微弱的电场下应该产生定向移动。这是金属，半导体，绝缘体之间的本质区别。就是自由移动载流子浓度的多少。如果把价电子算进去，这些材料之间的区别会变模糊。


2、而电势场建立根据简单的电磁学知识我们知道主要是靠净电荷数（高斯），
（电势的强弱如果对于很大的平板来说，应该取决于电荷的面密度，也就是电荷数除以面积
在上述条件下，电子本来应该从半导体流向金属，但重掺杂的P型半导体电子浓度非常低。导电的电子应该都位于导带，价带电子无法进入金属。因为价电子的转移等同于化学反应，我们目前为止都假定了金属和半导体之间没有化学反应。
在重掺杂P型半导体当中，导带的电子非常少。从半导体流向金属的电子应该非常少。能带应该保持不动。将产生类似绝缘体和金属接触时的结果，两端费米面维持不平衡状态，没有能带弯曲。
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8楼2014-07-04 10:52:15
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metaliium

银虫 (正式写手)
引用回帖:
8楼: Originally posted by ravel78 at 2014-07-04 10:52:15
1、价带以下的电子能流动，所有的电子都能流动，就看你给不给足够的能量。。。只要你给了足够的能量，原子内层电子都能流出来。。。

的确，在足够能量的激发下，任何在价带的电子都能移动。（比如UPS测试中的内 ...

费米能的定义是改变最上层一颗电子所需的能量，换言之是电子流动的难易程度，只要费米面有差，并确实还有空的态，就一定会有净电荷流动，直到费米面拉平为止。。。

这是一套完备的理论，不区分价带导带电子。确切的说价带导带电子无时无刻都是在流动的，只是接近费米面的电子贡献了净的电流而已，其他电子的运动互相抵消。实际器件中甚至可以出现价带电子贡献电流，导带电子运动互相抵消的情况。

能带不弯曲，费米面一样可以拉平，这实际上是你问的情况。

当然主要理由我已经都说了，没有别的补充了
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9楼2014-07-04 11:21:07
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metaliium

银虫 (正式写手)
另外关于价带电子可以产生电流，你可以参考一下tunnel diode，或者去找一些tunnel junction的文献。并不是什么很希奇的现象。
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10楼2014-07-04 12:20:54
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