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文档简介
半导体整流现象
非平衡状态下的P-N结
平衡P-N结中,存在着具有一定宽度和势垒高度的势垒区,其中相应地出现自建电场;每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消,P-N结中净电流为零。P-N结中费米能级处处相等。半导体整流现象
当P-N结两端有外加电压时,P-N结处于非平衡状态,势垒区及费米能级都相应发生变化。
由此可见,势垒区中,价带空穴浓度仅为P区多数载流子的10-10倍,而该处的导带电子浓度仅为N区多数载流子的1/50。一般情况下,室温附近,对于绝大部分势垒区,其中杂质虽然都已电离,但载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小得多,好像已经耗尽了,所以通常也称势垒区为耗尽层。即认为其中载流子浓度很小,可以忽略,空间电荷密度就等于电离杂质浓度。正向偏压P-N结势垒的变化
势垒区电场减弱,势垒高度下降,载流子扩散与漂移之间的平衡被破坏,扩散流大于漂移流,产生了:电子由N区越过势垒向P区的净扩散流,空穴由P区越过势垒向N区的净扩散流,形成非平衡载流子的电注入。这些扩散流形成了沿外加电场方向的净电流,且随着正偏压增加快速增加(e指数增大)。
1)
外加电压下,P-N结势垒区的变化及载流子的运动:
加正向偏压V(P区正,N区负),由于势垒区的载流子浓度、电阻与P区、N区体内的相差很大,电压基本落在势垒区,产生了与自建电场相反的电场,使势垒区电场强度减小,这意味着势垒区空间电荷减少,势垒区宽度减小,同时势垒高度由eV0降低到e(V0-V)。P-N结伏安特性P-N结伏安特性反向偏压P-N结势垒的变化
势垒区电场增强,势垒高度升高,载流子扩散与漂移之间的平衡被破坏,漂移流大于扩散流。这时,N区边界处的空穴和P区边界处的电子分别被强电场驱向P区和N区,这些漂移流形成了沿外加电场方向的净电流。由于少子浓度低,而扩散长度基本不变化,所以反向偏压时少子浓度梯度也较小,基本不随反向偏压变化,因此反向偏压下,P-N结的电流较小并且趋于不变(反向饱和)。
1)
外加电压下,P-N结势垒区的变化及载流子的运动:
加反向偏压V(P区负,N区正),产生了与自建电场相同方向的外加电场,使势垒区电场强度增强,这意味着势垒区空间电荷增加,势垒区宽度增大,同时势垒高度由eV0升高到e(V0+V)。因此,P-N结具有非线性伏安特性,即具有整流特性。因为扩散区比势垒区大,准费米能级的变化主要发生在扩散区,在势垒区中的变化则忽略不计,所以在势垒区内,准费米能级保持不变。
2)
外加直流电压下,P-N结的能带图:
加偏压V,P-N结的N区和P区都有非平衡载流子的注入,在非平衡载流子存在的区域,必须用电子的准费米能级EFN和空穴的准费米能级EFP取代平衡时的统一费米能级EF。正向偏压P-N结的费米能级V>0,在空穴扩散区,电子浓度高,故电子的准费米能级EFN的变化很小,可看作不变;但空穴浓度很小,故空穴的扩散引起准费米能级EFP的变化很大。在电子扩散区,可作类似分析。空穴扩散区
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外加直流电压下,P-N结的能带图:
加反偏压V,在电子扩散区、势垒区、空穴扩散区中,电子和空穴的准费米能级EFN和EFP的的变化规律与正向偏压时基本相似,所不同的是EFN和EFP的相对位置发生变化。反向偏压P-N结的费米能级V<0,电子扩散区电子被抽走P-N结的形成和杂质分布:
在一块N型(或P型)半导体单晶上,用适当的工艺方法把P型(或N型)杂质掺入其中,使这块单晶的不同区域分别具有N型和P型导电类型,在区域交界处形成P-N结。工艺方法:1)合金法:杂质分布为突变结合金法制造p-n结过程2)扩散法:扩散法制造p-n结过程杂质分布为缓变结3)离子注入法:(Ionimplantation),杂质分布为突变结易造成晶格损伤,需用退
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