PN结与二极管原理.ppt

P N结 P Njunction 2 1平衡PN结2 1 1PN结的制造工艺和杂质分布2 1 2平衡PN结的空间电荷区和能带图2 1 3平衡PN结的载流子浓度分布2 2PN结的直流特性2 2 1PN结的正向特性2 2 2PN结的反向特性2 2 3PN结的伏安特性2 2 4影响PN结伏安特性的因素2 3PN结空间电荷区的电场和宽度2 3 1突变结空间电荷区的电场和宽度2 3 2缓变结空间电荷区的电场和宽度2 4PN结的击穿特性2 4 1击穿机理2 4 2雪崩击穿电压2 4 3影响雪崩击穿电压的因素 2 5PN结的电容效应2 5 1PN结的势垒电容2 5 2PN结的扩散电容2 6PN结的开关特性2 6 1PN结的开关作用2 6 2PN结的反向恢复时间2 6 3提高PN结开关速度的途径2 7金属 半导体的整流接触和欧姆接触2 7 1金属 半导体接触的表面势垒2 7 2金属 半导体接触的整流效应与肖特基二极管2 7 3欧姆接触 2 1平衡PN结 在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处 会形成一个具有特殊电学性能过渡区域 平衡PN结 就是指没有外加电压 光照和辐射等的PN结 结面 基体 衬底 外延层 2 1 1PN结的杂质分布状态 合金法 扩散法 主流 离子注入法 突变结 缓变结 1016 cm3 1019 cm3 结深 与突变结相似 2 1 2平衡PN结的空间电荷区和能带图 空穴为少子 电子为多子 空穴为多子 电子为少子 相互接触时 在交界面处存在着电子和空穴的浓度差 各区中的多子发生扩散 并复合 消耗 1 空间电荷区的形成 空穴 电子 交界区域就形成了空间电荷区 也叫空间电荷层 耗尽层 空间电荷区中 形成一个自建电场 电子 空穴 PN结 空间电荷区 耗尽层 内电场 电阻 以带负电的电子为例 漂移运动电场力少子 扩散运动浓度差多子 动态平衡 两个相反的运动大小相等 方向相反 思考 自建电场对各区中的少子发生什么影响 电子 空穴 由于耗尽层的存在 PN结的电阻很大 2 能带状态图 没有外加电压 费米能级应处处相等 即 两个区的费米能级拉平 各自独立时 接触时 电场 电场方向是电势降落的方向 定义电势能 平衡后 能带图是按电子能量的高低画 P区电子的电势能比N区的高 PN结接触电势差 在空间电荷区内 能带发生弯曲 电子从势能低的N区向势能高的P区运动时 必须克服这个势能 高坡 PN结势垒 势能坡垒 空间电荷区 3 PN结接触电势差 Forn typeregion Forp typeregion 即有 式中ND NA分别代表N区和P区的净杂质浓度 UD和PN结两侧的掺杂浓度 温度 材料的禁带宽度 体现在材料的本征载流子浓度ni上 有关 在一定温度下 N区和P区的净杂质浓度越大 即N区和P区的电阻率越低 接触电势差UD越大 禁带宽度越大 ni越小 UD也越大 室温下 硅的 0 70V 锗的 0 32V NA 1017 cm3 ND 1015 cm3 2 1 3平衡PN结及两侧的载流子浓度分布 空间电荷区 少子 少子 多子 多子 扩散区 分布按指数规律变化 耗尽区或耗尽层 空间电荷区的载流子已基本被耗尽 n 电子 p 空穴 Depletionlayer 空间电荷区为高阻区 因为缺少载流子 自建电场 2 2PN结的非平衡双向直流特性 PN结非平衡状态 在PN结上施加偏置 Bias 电压 PN结的P区接电源正极为正向偏置 称正偏forwardbiased 否则为反向偏置 称反偏reversebiased 并假设 P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度 P型区和N型区电阻率足够低 外加电压全部降落在势垒区 势垒区外没有电场 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度 空间电荷区不存在载流子的产生与复合 不考虑表面的影响 且载流子在PN结中做一维运动 假设为小注入 即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度 Low levelinjection 2 2 1PN结的正向偏置特性 1 正偏能带变化图 非平衡 平衡时 外加电场 势垒宽度变窄 电场被削弱 势垒高度降低 正偏使势垒区电场削弱 破坏了原来的动态平衡 载流子的扩散作用超过漂移作用 所以有净扩散电流流过PN结 构成PN结的正向电流 2 外加多子正向注入效应 非平衡不同区的少子浓度分布 比较 平衡PN结 注入之后都成为所在区域的非平衡少子 它们主要以扩散方式运动 即在边界附近积累形成浓度梯度 并向体内扩散 同时进行复合 最终形成一个稳态分布 两边的多子易通过势垒区 电阻很小 空穴 电子 3 正向扩散区边界少子浓度和分布 空穴扩散区 电子扩散区 平衡被破坏 在扩散区和势垒区 电子和空穴没有统一的费米能级 这时只能用准费米能级表示 势垒区 两边界的少子分布 非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 准费米能级 边界 4 正向电流转换和传输 比较 平衡PN结 漂移 扩散 复合 扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流 PN结内任意截面的电流是连续的 Forward activeregime 正向注入 5 PN结的正向电流 电压关系 PN结内各处的电流是连续的 则通过PN结的任意截面电流都一样 因此只要求出空间电荷区的交界面处的电子电流和空穴电流 就是总的PN结电流 N区非平衡少子 空穴的分布函数为 空穴扩散电流密度为 其中 负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随增加而减小 在处 的边界处 空穴电流密度为 同理 把注入P区边界的非平衡电子的浓度 乘以电子的扩散速度 电量和PN结的截面积 便可以得到在处注入区的电子扩散电流 正向电流 电压关系 I0是不随外加正偏压而变化的 在常温 300K 下 可近似为 即 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大 重要特性 2 2 2PN结的反向特性 1 反向抽取作用 反向PN结空间电荷区具有 抽取 少子的作用 电场加强 宽度变宽 平衡 非平衡 扩散 扩散 电场反向抽取 势垒加高 注入少子 多子 比较 平衡PN结 多子被阻挡 无大电流少子做贡献 微电流作用 电阻很大 2 反向边界少子浓度和分布 2 平衡PN结 由于反向抽取 边界处少子浓度低于平衡值 电场加强 扩散长度 少子 少子平衡值 反向偏置时 漂移大于扩散 少子平衡值 少子 边界 边界 负指数变化 反向电流的转换和传输 本质 空穴电流 电子电流 漂移 扫过 扩散 反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流 一般情况下 少子浓度都很小 因而反向电流也很小 Reverseregime 少子 少子 边界 电子电流 空穴电流 多子被阻挡 边界 IR 2 反向饱和电流 反向电压U和流过PN结的反向电流IR之间的关系为 为反向饱和电流 随着反向电压U的增大 IR将趋于一个恒定值 I0 因少子浓度与本征载流子浓度成正比 并且随温度升高而快速增大 所以 反向扩散电流对温度十分敏感 随温度升高而快速增大 在300K时 UT 26mV 这时PN结处于截止状态 呈现的电阻称为反向电阻 其阻值很大 高达几百千欧以上 令 2 2 3PN结的正 反向V A特性 将PN结的正向特性和反向特性组合起来 正向电流很小 导通电压UTH 称门槛电压 正向电流达到某一明显数值时所需外加的正向电压 正常工作区的边界 急剧增大 室温时 锗PN结的导通电压约为0 25V 硅PN结为0 5V Eg q 反向饱和电流 图有问题 单向导电性 正向电压 正向导通 正向注入使边界少数载流子浓度增加很大 成指数规律增加 电流随着电压的增加快速增大 反向电压 反向截止 反向抽取使边界少数载流子浓度减少 很快趋向于零 电压增加时电流趋于 饱和 正向电阻小 反向电阻大 leakage 正向导通 多数载流子扩散电流 反向截止 少数载流子漂移电流 2 2 4影响PN结伏安特性的因素 简述 V A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有 1 正向PN结空间电荷区复合电流 2 反向PN结空间电荷区的产生电流 3 PN结表面复合和产生电流 4 串联电阻的影响 5 大注入的影响 大注入 High levelinjection 注入的非平衡少子浓度大于平衡时多子的浓度 6 温度的影响 空间电荷的影响 分压压降的影响 小注入条件被破坏 少子的影响增强 本征激发 1 正向PN结空间电荷区复合电流 正偏时 由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入 载流子浓度高于平衡值 浓度相差很大复合影响不显著 浓度相差很大复合影响不显著 电子和空穴浓度基本相等复合影响显著 复合地点不同 通过空间电荷区复合中心的复合相对较强 2 反向PN结空间电荷区的产生电流 反偏时 由于空间电荷区对载流子的抽取作用 空间电荷区内载流子浓度低于平衡值 故产生率大于复合率 产生出来的电子 空穴对 产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流 空间电荷区宽度随着反向偏压的增大而展宽 电荷区的数目增多 产生电流是随反向偏压增大而增大 3 PN结表面复合和产生电流 PN结的空间电荷区被延展 扩大 表面空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大 跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似 1 表面电荷引起表面空间电荷区 表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和反响的产生电流 表面空间电荷越大 引起的附加的电流也就越大 界面态的复合和产生作用 也同样由于表面空间电荷区而得到加强 它们对PN结也将引进附加的复合和产生电流 2 硅 二氧化硅交界面的界面态 表面沟道电流 表面漏导电流 衬底 正电荷较多 形成N型反型层 PN结面积增大 因而反向电流增大 表面玷污 引起表面漏电 也将产生反向电流增加 反偏 4 串联电阻的影响 PN结的串联电阻 包括体电阻和欧姆接触电阻 RS RS 结上电压降 当电流足够大时 外加电压的增加主要降落在串联电阻上 电流 电压特性近似线性关系 解决办法 减小体电阻 5 大注入的影响 P N E 正向大电流 注入P区的非平衡少子电子将产生积累 维持电中性必然要求多子空穴也有相同的积累 多子空穴存在浓度梯度 使空穴产生扩散 一旦空穴离开 P区的电中性被打破 在P区必然建立起一个电场E 阻止空穴的扩散以维持电中性 该电场为大注入自建电场 该电场的方向是阻止空穴扩散 但有助于加速电子的扩散 修正的正向电流 P 相比小注入 大注入的特点 1 大注入时 空穴的电流密度与P区杂质的浓度无关原因 电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的浓度 出现了空穴的积累 2 大注入时 少子电子的扩散系数增加一倍原因 P区产生自建电场 使少子电子扩散的同时 产生漂移3 小注入时 电流为 大注入时 电流为原因 电流增大后 电压不完全降落在空间电荷区域 有一部分降落在P区 6 温度的影响 随温度变化的程度 起决定作用的要算ni 随着温度的升高 PN结正 反向电流都会迅速增大 在室温附近 锗PN结 温度每增加10 I0增加一倍 温度每增加1 正向导通电压下降2mV 硅PN结 温度每增加6 I0增加一倍 温度每增加1 正向导通电压下降1mV 2 3PN结空间电荷区的电场和宽度 采用 耗尽层 近似 电子 空穴 空间电荷区不存在自由载流子 只存在电离施主和电离受主的固定电荷 空间电荷区边界是突变的 边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零 2 3 1突变结空间电荷区的电场和宽度 平衡时空间电荷区的宽度 Xm XP XN 宽度与它们的杂质浓度成反比 非对称空间电荷区 净施主浓度 净受主浓度 结 P N 电场强度 等于通过单位横截面积的电力线数目 在空间电荷区内各处是不相同的 平衡时最大场强为 半导体的电容率 交界面上 真空中每库仑电荷发出的电力线数目为 在P区 在N区 突变结电场分布 场强最大 场强为零 场强为零 直线的斜率正比于掺杂浓度 s s 单边突变结 若P区和N区的掺杂浓度相差很大 如PN 结 N区掺杂浓度远远大于P区 空间电荷区主要在P区一侧 电场分布 宽度主要由低掺杂区N0决定 低掺杂P区 对于PN 结 N0 NA对于P N结 N0 ND N0 平衡时 非平衡时 XN 2 3 1突变结空间电荷区的电场和宽度 以单边突变结为例子 空间电荷的宽度为 Xm XP XN XP N区与P区的电位差 数值等于曲线下的三角形面积 对应于加反向偏压 对应于加正向偏压 非平衡时 平衡时 突变结空间电荷区 UT UD U Rewrite 外加偏压 2 3 2缓变结空间电荷区的电场和宽度 用扩散法制造的PN结称为缓变结 主流工艺 原材料均匀浓度 结面 结深 表面 外加反向电压较小可近似看做线性缓变结 反向偏压较大可看做单边突变结 晶体管一般结深较浅 表面浓度较高 单边突变结 Xj约10 4cm 外加反偏电压的有效作用 1 线性缓变结的电场 XP XN Xm 2 与半边突变结不同的是 正负空间电荷的宽度相等 有 对空间电荷区积分 电场强度为 表面浓度很低 结深很深的扩散结 可看做线性缓变结 线性缓变结的空间电荷区和电场分布 XN XP 杂质浓度梯度 是一常数 电场分布呈抛物线 对称结 线性缓变结 非线性 外加电压 ND NA 问 如何计算 是何意义 2 线性缓变结的电位和空间电荷区域的宽度 2 4PN结的反向击穿特性 正向 反向 反向饱和电流 反向电流骤然变大 UB 发生击穿时的反向偏压称为PN结的击穿电压 略有增长 PN结 导通 击穿机理 目前提出了三种 反向击穿 死区 击穿并不意味着PN结烧坏 UB 手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半 雪崩击穿 AvalancheBreakdown 高能击穿 可逆 强电场 大动能 碰撞 产生如此继续下去 同雪崩现象一样 锗 硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿 硅PN结 击穿电压大于6V的是雪崩击穿 常见 半导体的掺杂浓度低 隧道击穿 Zenerbreakdown 齐纳击穿或场致击穿 量子贯穿 可逆 势垒区水平距离d变窄 发生量子隧道效应 硅PN结 击穿电压小于4V的是隧道击穿 当PN结两边掺入高浓度的杂质时 其耗尽层宽度很小 即使外加反向电压不太高 一般为几伏 在PN结内就可形成很强的电场 可达2 106V cm 将共价键的价电子直接拉出来 产生电子 空穴对 使反向电流急剧增加 出现击穿现象 隧道贯穿 变窄 强电场 产生原因 热电击穿 高热击穿 不可逆 反向电流大 热损耗 结温上升 PN结烧毁 禁带宽度小的半导体材料所制成的PN结 如锗PN结 其反向电流大 容易发生热击穿 PN结正常使用的温度要小于允许的最高结温 Q I2Rt 问 为什么高热会使空间电荷区失效 焦耳热 2 4 2雪崩击穿电压的估算 1 击穿条件的描述 有效电离率 表示一个载流子在电场作用下 漂移单位距离时 碰撞电离产生的电子 空穴对数 锗PN结 硅PN结 有效电离率主要集中在电场强度最大处附近 一个载流子通过势垒区时 由碰撞电离所产生的电子 空穴对数为 势垒区 击穿条件为 由实验得 倍增因子M随外加偏压U的变化规律为 数值n根据半导体材料低掺杂浓度一侧的导电类型而定 雪崩倍增因子 电流倍增的程度 雪崩击穿不仅与电场强度有关 还与空间电荷区宽度有关 M 反向饱和电流 反向电流 U M 一般n 7 2 单边突变结的雪崩击穿电压 1 击穿的临界电场强度 2 雪崩击穿的电压 单边突变结雪崩击穿电压 低掺杂浓度 雪崩击穿电压 3 线性缓变结的雪崩击穿电压 最大场强 2 4 3影响雪崩击穿电压的因素 杂质浓度 如果衬底杂质浓度N0高 就容易被击穿 场强不同 击穿电压的因素 杂质的浓度 外延层厚度 扩散结结深和表面状态 1 杂质浓度对击穿电压的影响 2 雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系 外延层 低掺杂区 厚度 W 击穿电压由N型区的电阻率决定 外延层较宽 W 外延层 同型材质的低掺杂区 反向偏压增大 势垒区扩展 结面 场强随着反向偏压升高而增大 较低的反向偏压下就会击穿 外延层较薄 外延层较薄 势垒区扩展 穿通效应 难以进入重掺杂区 边界 增加的反向偏压 结面 条件 相同的偏压 N区的掺杂浓度相同但厚度不同 3 扩散结结深对击穿电压的影响 纵向扩散 横向扩散 先发生击穿 由于碰撞电离率随电场强度的增加而快速增大 因此他们的击穿电压为 为减小结深对击穿电压的影响 可采取的措施 1 深结扩散 增加曲率半径 减弱电场集中现象 提高雪崩击穿电压 2 磨角法 将电场集中的柱面结和球面结磨去 形成台型的PN结 3 采用分压环 4 表面状态对击穿电压的影响 势垒宽度变薄 击穿电压下降 沟道漏电 反型层 带正电的二氧化硅的正电荷会使 2 5PN结的电容效应 空间电荷区的电荷量随着外加偏压而变化 PN结具有电容效应 结具有两种电容 势垒电容和扩散电容 2 5 1PN结的势垒电容 外加反向偏压减小结上压降下降空间电荷区宽度的减小空间电荷量减少 反向偏压增加结上压降增大空间电荷区宽度增大空间电荷区电荷量增加 PN结电容只在外加电压变化时才起作用 交流影响外加电压频率越高 电容的作用也越显著 高频影响 PN结势垒电容 Barriercapacitance 电容效应发生在势垒区 充电 放电 1 PN结的势垒电容 PN结势垒电容与平行板电容器很相似 但有区别 半导体介质的电容率 结面积 PN结电容 通直流 空间电荷区宽度可变化 势垒电容是偏压U的函数 通常的电容器 隔直流 极板间的距离d是一个常数 电容量C与电压U无关 注意区别 A 随外加电压变化而变化 只要有一定面积 并电荷发生变化 就会产生电容效应 2 单边突变结势垒电容 正向偏压会使势垒电容增大 反向电压会使势垒电容减小 UT UD U 比较 什么含义 反向电压 外加电压 电位差 3 线性缓变结势垒电容 上面的公式均在耗尽层下推倒的 当PN结反偏电压较高时 耗尽层近似是合理的 然而反向偏压较低 特别是施加正向偏压时 空间电荷区有大量的载流子通过 PN结的势垒电容将产生较大的误差 必须进行修正 不对称突变结 对称突变结 线性缓变结 其中 4 实际扩散结势垒电容 扩散结势垒电容的计算十分复杂 通常采用查表法求得 教材图2 58是在耗尽层近似下 用电子计算机计算的结果绘出的图表曲线 适用于余误差分布和高斯分布 考虑PN结的势垒电容之后 在交流情况下 PN结可以看成一个交流电导 或动态电阻 和一个势垒电容相并联的等效电路 2 5 2PN结的扩散电容 Diffusioncapacitance 扩散长度 电子 空穴 p PN结的扩散电容 扩散区中积累电荷量 非平衡少子 也随着外加电压而改变 扩散电容随正向电压加大呈指数增加 所以和正向电流成正比 正向扩散电容 空穴扩散区电容 电子扩散区电容 电子 空穴 2 6PN结的二极管开关特性 Diodeswitchingbehavior 国家标准 GB 对半导体器件型号的命名 二极管 diode 符号 旧符号 新符号 阳极 Anode 阴极 Cathode 2 二极管 A 锗材料N型 B 锗材料P型 C 硅材料N型 D 硅材料P型 P 普通管 W 稳压管 zenerdiode Z 整流管 K 开关管 U 光电管 2CP2AP2CZ2CW 例如 发光二极管 光电二极管 稳压二极管 后面是厂家编号 2 6 1PN结的开关作用 正向电阻很小 反向电阻很大 略掉正电阻 看成无穷大 正向 反向 开关作用 反向饱和 死区 1 二极管的开关作用 二极管半波整流 斩波 但同相 2 静态开关特性 静态 处于相对静止的稳定状态 正向 正向导通时会有一个正向压降 UD 0 7VPN结自身有点阻抗 死区 Forwardvoltagedrop 温度升高时 二极管的正向压降将减小 每增加1 正向压降UD大约减小2mV 即具有负的温度系数 PN结特性对温度变化很敏感 反映在伏安特性上 温度升高 正向特性左移 反向特性下移 硅二极管2CP 6 二极管在反向截止时仍流过一定的反向漏电流I0 硅PN结的反向漏电流很小 只有纳安 nA 数量级 数值越小越好 锗PN结 A 级 PN结的整流特性 单向导电性 关键在于耗尽层的存在 截止时 一般认为二极管断开 反向电阻为无穷大 PN结的单向导电性只有在外加电压时才表现出来 2 6 2PN结的开关态反向恢复时间 开关过程只考虑关闭过程 从关态转变到开态所需开启时间很短 从开态转变到关态 U1 U2 所需关闭时间却长得多 反向恢复过程 反向导通 贮存时间 下降时间 反向恢复时间 反向饱和 反向电流 UD 正向导通电流 开态 关态 输出 输入 stockpile fall 反向恢复过程限制了二极管的开关速度 要保持良好的开关作用 脉冲持续时间不能太短 也就是脉冲的重复频率不能太高 这就限制了开关速度 输入电压是一连串正负相间的脉冲 T 负脉冲的持续时间T比二极管的反向恢复时间大得多 负脉冲并不能使二极管关断 反向恢复时间 使输出伴有延迟 决定了工作频率 PN结的电荷贮存效应 反向延迟的原因 反向恢复过程是由电荷贮存效应引起的 正向偏压 正向导通时少数载流子积累的现象 叫电荷贮存效应 电流惯性 正向电流越大 贮存电荷量越多 曲线向上越高 正向导通时在各区的贡献 反向时P区积累的电子极容易通过 E 反向恢复过程中的载流子浓度的变化 变到 这段时间就是贮存时间ts 变到 过程所需的时间就是下降时间tf 在各区的残留电荷 反向饱和 I0 增大初始反向电流IF 即要求增大U2 减小R 加快反向抽取变化 反向抽取动态变化 贮存电荷的贡献 贮存电荷量越多 二极管的反向恢复时间就越长 2 6 3提高PN结开关速度的途径 1 减小正向导通时非平衡载流子的贮存量Q 减小正向电流ID 降低P区电子的扩散长度 从结构来考虑降低少数载流子的寿命 2 加快贮存电荷量Q消失的过程 最有效 IF1 IF2 IF3 IF越大 反向恢复时间trr就越小 反向恢复时间随抽出电流的变化 掺金 金扩散 实验指出 掺金二极管的反向恢复时间是未掺金的几十分之一 在注入电流和抽出电流相等 即ID IF 的条件下 对突变结 trr 0 9 对缓变结 trr 0 5 当金属与半导体接触时 有二种物理接触效果 整流接触 在半导体表面形成了一个表面势垒 阻挡层 和PN结类似 有整流作用 肖特基接触 势垒 欧姆接触 形成没有整流作用的反阻挡层 高电导区 等效为一个小电阻 低阻率