第六章pn结PPT课件VIP

.,1,一、p-n结的形成和杂质分布,p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn结。,利用控制杂质分布的工艺方法来实现pn结,2,.,1合金法,用合金法制备的p-n结一般为突变结；,突变结的杂质分布,3,.,用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。,2扩散法,杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定,4,.,线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用x=xj处的切线近似表示。,x,xj,ND-NA,线性缓变结近似,扩散结的杂质分布,5,.,但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似,扩散结的杂质分布,6,.,突变结,缓变结,pn结,合金结,高表面浓度的浅扩散结（p+n或n+p),根据杂质分布,低表面浓度的深扩散结,7,.,二、平衡p-n结的特点,1平衡p-n结的形成,P型材料的多子用ppo表示，少子为npo，N型材料的多子用nno表示，少子用pno表示,空间电荷空间电荷区（势垒区）,内建电场阻碍载流子继续扩散,8,.,平衡后：J扩=J漂,形成恒定的电场，称为内建场，它存在于结区。,处于热平衡状态的结称为平衡结。,2平衡p-n结的能带及势垒,9,.,当二者接触后，电子由NP，空穴由PN,(EF)n，(EF)p,(EF)n=(EF)p=EF,J扩=J漂,有一恒定的电场E，方向由NP,10,.,VD平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差,qVD相应的电子电势能之差，即能带的弯曲量，称为pn结的势垒高度,势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差，使平衡pn结的费米能级处处相等。,11,.,取p区电势为零,对电子：P区电势能比n区电势能高,12,.,平衡pn结中电势能,.,13,假设：P区：Ec=EcpEv=Evpno=npopo=ppo,N区：Ec=EcnEv=Evnno=nnopo=pno,同质p-n结:,3.pn结的接触电势差,.,14,平衡时：,ppo=NA,nno=ND,.,15,T一定，NA,ND,则VDEg,ni,则VD,例：若NA=1017cm-3,ND=1015cm-3则得室温下Si的VD=0.70VGe的VD=0.32V,.,16,pn结平衡时特点,势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消整个pn结出现统一的费米能级能带弯曲势垒高度,.,17,流过pn结的电子电流密度（漂移扩散）(推导过程自学）,流过pn结的空穴电流密度（漂移扩散）,3.流过pn结的电流密度,.,18,表示费米能级随位置的变化和电流密度的关系,若J不变，载流子浓度大的地方，,载流子浓度小的地方，,对平衡pn结，Jn=Jp=0,.,19,4.平衡时pn结载流子分布,x处的电子浓度(推导过程自学）,.,20,x处的空穴浓度,.,21,设V(xn)=VD,则,V(xp)=0,则,结区边界处,.,22,势垒区又叫耗尽层其中载流子浓度很小空间电荷密度等于电离杂质浓度,平衡pn结中载流子分布,p,n,x,pn0,nn0,pp0,np0,n(x),p(x),23,.,三、非平衡p-n结,1正偏p-n结的能带(P+,N),正向偏压时pn结势垒的变化,外加正偏压基本落在势垒区势垒区宽度,24,.,非子的电注入,pn结正偏时，外场消弱势垒区内建电场，势垒区扩散占优势，使p区和n区有少子注入，形成正向扩散电流。,+,-,25,.,6.理想pn结模型,小注入条件注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多突变耗尽层条件注入的少子在p区和n区是纯扩散运动通过耗尽层的电子和空穴电流为常量不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用玻耳兹曼边界条件在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布,26,.,2正偏时载流子的运动和电流成分,.,27,J=Jp扩（n区边界）+Jn扩（p区边界）,3正偏下的电流密度,其中：,pn结的正向电流电压关系式,（推导自学）,通过pn结的总J：,.,28,对于pn结：,对于pn结：,.,29,例如，室温：KT=0.026eV,当V=0.26V：,.,30,4反偏时的p-n结(P,N),势垒区漂移扩散,.,31,势垒区变宽漂移流大于扩散流由漂移作用形成的反向电流很小（p区电子和n区空穴少）,J=Jp扩（n区边界少子）+Jn扩（p区边界少子）,通过pn结的总反向J：,.,32,|V|,J-Js,Js为反向饱和电流密度,V复合率,总反向电流密度,J反J扩J产,净产生率,.,40,以p+n结例：,Ge:Eg小，ni2大，反向电流中扩散电流主要Si:Eg大，ni2小，反向电流中势垒产生电流主要,V,XD,JG不饱和，J反缓慢增加,势垒区的产生电流,XD势垒区宽度,反向扩散电流密度,.,41,势垒区的复合电流,正向偏压，从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，构成了另一股正向电流。,总正向电流密度,J正J扩Jr,复合电流密度Jr,.,42,正向电流密度的经验公式,扩散电流,复合电流,.,43,扩散电流与复合电流之比与V有关,V，J扩/Jr迅速，低V时,JrJ扩,V，J扩/Jr迅速，高V时,Jr1019/cm3，,这种强p型、强n型材料形成的p+-n+结称为隧道结。,61,.,1隧道结的能带结构,Ec,Ev,EF,+,p,n,xD,Eg,热平衡,p,n,n区导带与p区价带有能量相同的量子态,62,.,2隧道结的伏安特性,J,V,Jp,Jv,Vv,Vp,0,5,4,3,2,1,负阻,63,.,Ecp,Evp,EF,Eg,(1)平衡隧道结,P,N,(2)正偏，电压0VVp,Evp,Eg,Ecp,EFp,正向隧道电流,EF上空态，EF下占满,J=0,Ecn,Evn,Evn,Ecn,V,n区能带相对于p区升高qV。两边能量相等的量子态中，,p,n,EFn,EFp上空态，EFn下占满,64,.,Evp,Eg,Ecp,(3)当V=Vp时,(EF)p=Ecn,EFp,Evn,Ecn,n,p,结两边能量相同的量子态达最多,EFn,65,.,Evp,Eg,Ecp,(4)正偏V继续，(EF)nEvp，(EF)pEcn,EFP,Evn,Ecn,EFn,V,势垒高度，P区禁带结两边能量相同的量子态减少,66,.,(5)当V=VV时，Ecn=Evp,Evp,Eg,Ecp,(6)V再，扩散电流为主，与普通的p-n结一样,谷值电流,EFP,EFn,Ecn,Evn,结两边无能量相同的量子态,67,.,(7)加反向电压，势