半导体PN结总结

1、第二章 PN 结1. PN 结： 由 P型半导体和 N 型半导体实现冶金学接触(原子级接触)所形成的结构。 任何两种物质(绝缘体除外) 的冶金学接触都称为结 ( junction ),有时也叫做接触 ( contact )。2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由 PN 结构成。4. 空间电荷区： PN结中， 电子由 N区转移至 P 区，空穴由 P 区转移至 N区。电子和空穴的 转移分别在 N 区和 P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。 它们是荷电的、 固定不动的， 称为空间电荷。 空间电荷存在的区域称为空间电荷区。5. 建电场： P 区和 N区

2、的空间电荷之间 建立了一个电场空间电荷区电场， 也叫建电场。PN结自建电场 ：在空间电荷区产生 缓变基区自建电场 ：基区掺杂是不均匀的， 产生出一个加速少数载流子运动的电场， 电场沿 杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区围输运。大注入建电场 ：在空穴扩散区（这有利于提高 BJT 的电流增益和频率、速度性能）6. 建电势差： 由于建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做建电势差（用表示）。7. 费米能级： 平衡 PN结有统一的费米能级。准费米能级 ：当 pn 结加上外加电压 V 后，在扩散区和势垒区围，电子和空穴没有统一的 费米能级，分别用准费米能级。8. PN结能带图 热平衡能带

3、图平衡能带图非平衡能带图 正偏压： P 正 N 负 反偏压： P 负 N 正9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区： N区电子进入 P区需要克服势垒，P区空穴进入 N区也需要克服势垒于是 空间电荷区又叫做势垒区。耗尽区： 空间电荷区的载流子完全扩散掉， 即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时 空间电荷区又可称为 “耗尽区”。中性区： PN结空间电荷区以外的区域 （P 区和 N区） 。耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。10. 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子 ：能够导电的自由粒子。 （电子，空穴） 本征激发（热激发） ：温度

4、升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱 原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 （同时产生电子 - 空穴对） 本征激发产生的的是平衡载流子复合： 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。过剩载流子（非平衡载流子） ：由于 受外界因素如光、电的作用 ，半导体中载流子的分布偏 离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。其他因素产生的偏离平衡态分布的载流子非平衡载流子。 产生与复合是过剩载流子运动的主要形式。12.空间电荷效应在 PN 结的中性区， 有 注入的过量非平衡少子 ，建立起一瞬间电场， 此电场吸引过量的多

5、 子以中和注入的少子， 并使电中性得以恢复。 结果造成有很高的过量载流子浓度但无显著的 空间电荷效应。小注入：产生过剩载流子的数量显著低于热平衡时的多子浓度，此时为小注入。 半导体的导电性仍由自身掺杂条件决定。 （建电场决定） 大注入：如外加正向电压增大， 致使注入的 非平衡少子浓度达到或超过多子浓度时， 称为大注入。 此时，空间电荷效应显著，存在 大注入电场。13. 本征半导体： 没有掺入杂质的纯净半导体。 杂质半导体： 分 N 型和 P型N 型（电子型） ，自由电子是多数载流子，由杂质原子提供（杂质原子带正电荷Nd+ ，施主杂质），空穴是少数载流子 , 由热激发形成。P型（空穴型） ，空穴

6、是多数载流子，主要由掺杂形成（ Na-， 受主杂质），电子是少数载流 子，由热激发形成。14. 扩散和漂移扩散： 从浓度高到浓度低漂移： 电场引起15.少子扩散区 ：空间电荷区两侧中性区里一到几个扩散长度的区域 注入少子以扩散方式运动 ， 这个区域称为少子扩散区，简称为 扩散区。正向注入 ：正偏压 使 PN结 N区多子 电子从 N区向 P 区扩散 ，使 P区多子 空穴从 P区向 N区 扩散（这些载流子在进入对方区域之后成为对方区域中的少子） 这种现象称为少子的正向注 入。反向抽取： 反偏 PN结空间电荷区电场将 N区少子 空穴从 N区向 P区漂移 ，将 P区少子 电子 从 P 区向 N 区漂移

7、 ，这种现象称为载流子的反向抽取16. pn 结电流电压关系正偏压下载流子输运情况 反偏压下载流子输运情况pnni2 。这些17. 正偏复合电流： 正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 过量载流子穿越空间电荷层， 使得载流子浓度可能超过平衡值， 预料在空间电荷层中会有 载 流子复合 发生，相应的电流称为空间电荷区复合电流。反偏产生电流： 反偏 PN 结空间电荷区 pnni2 。这将引起非平衡载流子的产生从而引起反 偏产生电流。18. pn 结温度特性正偏压下， 给定电流， 电压随温度线性地减小，系数为 -2mV/oC。 给定电压 ，电流随温度升 高而迅速增加。在室温时，每增加 10

8、oC，电流约增加 1 倍。19. pn 击穿热击穿： 当 pn 结外加反向偏压增加时，对应于反向电流所损耗的功率增大，产生的热量也 增加，从而引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。隧道击穿： 掺杂浓度十分高时，耗尽区宽度变得很窄，耗尽区的电场高达106Vcm-1。这种情况下， 价带电子可以直接穿过禁带到达导带，成为自由电子 ，引起电流迅速增加。雪崩击穿： 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量， 当能量达到足够大时， 载 流子与晶格碰撞时产生电子 -空穴对 。新产生的电子 -空穴对又在电场作用下加速， 与原子碰 撞再产生第三代电子 - 空穴对。如此继续，产生大量导电载流子，电流

9、迅速上升。雪崩击穿的条件： 电场足够强，能产生碰撞电离。空间电荷区足够宽，引起雪崩倍增。 反偏压到一定程度时，会产生雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的因素： 杂质浓度及杂质分布（掺杂浓度越高，雪崩击穿电压越低） 、外延层厚度、棱角电场、表面 状况及工艺因素、温度（ 电压随温度升高而增大 ）20. 扩散电容、势垒电容 扩散电容 是 正偏压 下 PN结存贮电荷随偏压变化引起的电容，随直流偏压的增加而增加。 势垒电容和扩散电容的区别：21. PN 结等效电路22. pn 结开关特性PN 结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很 小。贮存时间： PN结在反偏压下去除全部贮存电荷所需要的时间。影响因素：双极晶体管1. 基本结构2. 放大时能带图、电流分布图、基区少子浓度分布图3.4.晶体具有放大能力的条件发射结（ e）正偏，集电结（ c）反偏。 发射效率、基区运输因子提高晶体管电流放大系数的主要措施： 减小基区宽度 增大载流子扩散长度 降低发射区与基区的方块电阻的比值 改善器件表面状况，减小表面复合5.提高基区自建电场因子Ebers-Moll 模型 等效电路图互易关系：6. 共基