简 介： ※

关键词： PN结，势垒电压

§01 问题来源

1.1 被多次问及的问题

  无论是国内外，对于电子初学者来讲，一个显而易见的问题出现在PN原理解释中：怎么测量PN结两边的电位差？。两种不同型号半导体融合界面出现的PN结构，由于扩散作用，形成了一个被称为耗散层，内部家具板内建的电动势使得扩散电流与漂移电流达到平衡。

  如果将这个PN届看成一个电容，既然内部存在着电场，那么两端就应该有相应的电位差。接过来了，无论国内外很多人都在问如何才能直接测量到这个电位差：

• 在 Understanding the PN-Junction Built in Voltage 提问后的回答中：一个解释在于对PN结外出的引线（通常是金属）与PN结对应的半导体之间也建立了内置的电场，抵消了PN结建立的内部电场。
• 在 How can we experimentally measure the build-in voltage of a pn junction at thermal equilibrium? 的提问就避免上面的接触电阻，他提议使用 Kelvin probe force microscopy (KPFM) 来测量PN结两边的电位差。

  关于KPFM可以下载 介绍PDF : https://www.nanosurf.com/images/applications/KPFM/Kelvin-probe-force-microscopy-KPFM.pdf 。

• 在 关注公众号“牵手日记”可查询网课答案 中直接就提到：当把PN结两边短路，就应该存在电流流过。

1.2 PN结相关文献

  在 Berkeley ： Lecture 9：PNjunction 给出了PN结对应的电场情况。

  所以从本质上来看，n-型半导体的电位要比其p-型半导体点位高。那么为什么测量不到呢？

§02 为什么？

  关于这个问题，在 Berkeley 大学 EECS Niknejad Lecture 9 PN Junctions （2003）给出了相应的讲解。

2.1 提问

  是否我们可以把PN结看成二极管而获得它的能量呢？

$${\phi }_{bi}={\phi }_n-{\phi }_p=V_{th}\left(\ln \frac{N_D}{n_i}+\ln \frac{N_A}{n_i}\right)=V_{th}\ln \frac{N_D{N}_A}{n_i^2}$$

  通过典型数据计算等效的电位差：

$${\phi }_{bi}=26mV\cdot \ln \frac{V_D{V}_A}{n_i^2}=60mV\times {\log }_{10}\frac{10^{15}\cdot 10^{15}}{10^{20}}=600mV$$

2.2 回答

  有限，答案是不能够测量到对应的PN两边的电位差。

  原因就是二极管所使用的相同的引脚金属线与半导体之间也存在着电位差。分别对于n、p 型的金属接触电位差之间并不相同。

  如果外部通过金属线短接，根据能量守恒可以知道外部并不会形成电流。所以可以知道金属-半导体接触电位差能够抵消PN结所对应的内部电位。

2.3 如何才能够测量内部电位差？

  直接测量无法获得PN结的电位差，但是可以通过测量PN对应的电容与偏置单压之间的关系来测量得到该点位。

※ 总  结 ※

  在PN结两边的电位差是产生内部电场的基础。但直接通过外部的金属引线是无法直接测量到这个电位差，关键是外部的金属引线会在也会产生不同的接触电位。可以通过测量PN届的等小电容来间接测量到这个电位差。

■ 相关文献链接:

• Understanding the PN-Junction Built in Voltage
• How can we experimentally measure the build-in voltage of a pn junction at thermal equilibrium?
• Kelvin probe force microscopy (KPFM)
• 介绍PDF
• 关注公众号“牵手日记”可查询网课答案
• Berkeley ： Lecture 9：PNjunction

● 相关图表链接:

• 图1.1 Schematic of KPFM
• 图1.2 PN结外部电场
• 图2.1 Ali Niknejyad 教授
• 图2.2 是否可以测量到PN结的电压呢？
• 图2.2.1 外部引线所产生的金属-半导体电位
• 图2.3.1 PN电容与偏置电压之间的关系

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