半导体物理学ppt课件7p n结.ppt
第六章 p-n结,6.1 pn结及其能带图 6.2 pn结电流电压特性6.3 pn结电容6.4 pn结击穿6.5 pn结隧道效应,6.1 pn结及其能带图,冶金结P区和n区的交界面突变结线性缓变结超突变结突变结均匀分布，交界处突变,6.1 pn结及其能带图 基本结构,空间电荷区耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）,PN结的形成,阻挡层,耗尽区Depletion region,6.1 pn结及其能带图 空间电荷区,EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。,6.1 pn结及其能带图 能带图,内建电势差 (The Contact Potential) VD,平衡时,6.1 pn结及其能带图 能带图,n型半导体中的电子浓度为,型半导体中的电子浓度为,6.1 pn结及其能带图 内建电势差,* 势垒高度 ND、NA,6.1 pn结及其能带图 内建电势差,突变结,6.1 pn结及其能带图 空间电荷区宽度,载流子分布( Carrier distributions),6.1 pn结及其能带图 载流子分布,6.2 pn结电流理想电流电压关系,外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。,外加电场削弱了漂移运动，使: 漂移扩散,(1) 正向偏置 （ Forward bias）,6.2 pn结电流理想电流电压关系,这种由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为电注入。,(1) 正向偏置 （ Forward bias） 能带,Space charge region,Neutral region,Diffusion region,这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。,P区空穴向n区扩散空穴扩散电流,n区电子向P区扩散电子扩散电流。,(1) 正向偏置 （ Forward bias） 电流,根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,考虑-xp截面：,忽略了势垒区载流子的产生和复合：,正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布,6.2 pn结电流理想电流电压关系,理想假设1、耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变，且耗尽区以外的半导体区域是电中性的。2、载流子统计分布复合麦克斯韦-玻尔兹曼近似。3、复合小注入条件。4(a)、pn结内的电流值处处相等。4(b)、pn结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。4(c)、耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,计算流过p-n结电流密度的步骤：1、根据费米能级计算耗尽区边界处注入的过剩少子浓度。2、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区中载流子连续性方程双极输运方程。得到过剩载流子分布表达式。3、将过剩少子浓度分布带入扩散电流方程得到扩散电流密度。4 、将两种载流子扩散电流密度相加，得到理想p-n结电流电压方程。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,1、边界条件,边界条件的确定,区内：,区内少子电子浓度：,n区内少子空穴浓度：,6.2 pn结电流理想电流电压关系,6.2 pn结电流理想电流电压关系,2、少数载流子分布解双极输运方程,小注入n型半导体双极输运方程：,当xxn时，,E=0，且令g=0，pn结处于稳态。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,6.2 pn结电流理想电流电压关系,3、理想pn结电流,Xn处少子空穴扩散电流密度：,-Xp处少子电子扩散电流密度：,6.2 pn结电流理想电流电压关系,理想关系,-肖克莱方程,反向饱和电流密度,6.2 pn结电流理想电流电压关系,物理学小结,外加电场Vr与内建电场方向一致,扩散漂移,(2)反向偏置 （Reverse bias）,VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽,6.2 pn结电流理想电流电压关系,势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,6.2 pn结电流理想电流电压关系,类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度,式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。,Jr与反向电压Vr无关，是因为当反向电压V的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：,正向：V= Vf反向：V= -Vr,-n结的伏-安特性,单向导电性-整流,6.2 pn结电流理想电流电压关系,温度影响大,单边突变结,I-V特性由轻掺杂一边决定。,6.2 pn结电流理想电流电压关系,短二极管,边界条件：,少子浓度：,少子扩散电流密度：,6.2 pn结电流,影响p-n结伏-安特性的主要因素：,产生偏差的原因：,（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。,6.2 pn结电流 偏离理想情况,（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。,产生复合电流,反偏产生电流JR,空间电荷区内：,产生复合电流,正偏复合电流：,n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴在势垒区内复合了一部分，形成复合电流。,产生复合电流,总正偏电流,产生复合电流,J小时复合主导J大时扩散主导,一般状况下，二极管的电流电压关系：,n为理想因子。正偏电压较大：n1正偏电压较小：n2过渡区内：1n2,注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布,大注入,扩散区产生内建电场,-n结的直流伏-安特性表明： 1. 具有单向导电性。 2. 具有可变电阻性。,特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。,-n结的交流特性表明:,-n结还具有可变电容的性质,6.2 pn结电流,-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。,（1）势垒电容CT,由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容,也称结电容（Junction capacitance）,6.3结电容 (Capacitance of p-n Junction),6.3结电容 反偏,势垒电容,单位面积电容,6.3结电容 反偏,势垒电容,6.3结电容 单边突变结,NaNd时，这种结称为P+n结。,空间电荷区宽度：,6.3结电容 单边突变结,非均匀掺杂pn结,线形缓变结x=x处,a为净杂质浓度梯度；,非均匀掺杂pn结,线形缓变结,由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。,(2) 扩散电容,也称电荷存储电容（charge storage capacitance ）,6.3结电容 (Capacitance of p-n Junctions),CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。,点接触式二极管面积很小， CT 、CD ：0.51pF,面结型二极管中的整流管面积大， CT 、CD ：几十几百pF,6.3结电容 (Capacitance of p-n Junctions),（3）总电容,-n结的总电容为两者之和：,正向偏置p-n结时，以CD为主，CjCD反向偏置p-n结时，以CT为主，CjCT,6.3结电容 (Capacitance of p-n Junctions),在反向偏置下，当反向电压很大时， p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性- p-n结的击穿。,6.4 p-n结的击穿(Berakdown),-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对碰撞电离。,(1)雪崩击穿(Avalanche berakdown),6.4 p-n结的击穿(Berakdown),连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。,影响雪崩击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.势垒宽度:势垒宽度足够宽,击穿电压小,3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,4.温度:温度升高,击穿电压增大.,6.4 p-n结的击穿(Berakdown),(2)齐纳击穿(Zener berakdown)或隧道击穿,是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.,根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.,XD,XAB,6.4 p-n结的击穿(Berakdown),影响齐纳击穿电压的主要因素：,1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.,2.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.,3.温度:温度升高,击穿电压下降.,齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.,掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿. 相反,易发生雪崩击穿.,(3)热击穿,禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.,低浓度雪崩，高浓度隧穿,6.4 p-n结的击穿(Berakdown),6.5 pn结中的隧道效应,EFn,EFp,EFn,EFp,EFn,EFp,EFn,EFp,EFn,EFp,6.5 pn结中的隧道效应,小结,均匀掺杂pn结。空间电荷区。空间电荷区内的电场。空间电荷区内的电势差。外加偏置条件下空间电荷区宽度、内建电势差、势垒电容、场强的变化。线性缓变结的电场、内建电势差、势垒电容的表达式。,小结,n结二极管在外加电压不为零时，结内电荷流动的定性描述；正偏与反偏条件下的能带图；过剩少子的产生；理想二极管中的电流电压关系的推导方法及其温度效应。产生复合电流。结击穿,
