微电子器件第二章 PN结讲解

1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计 第第 2 章章 PN 结结 *据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外还有种，另外还有110个个 相关的变种相关的变种 *所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结 金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格 两种或两种以上不同的极薄（几埃到几百埃）半导体单晶薄膜交替地生长在一两种或两种以上不同的极薄（几埃到几百埃）半导体单晶薄膜交替地生长在一 起而形成的周期性结构材料。在原子尺度上人工设计和起而形成的周期性结构材料。在原子尺度上人工设计和 改变材料的结构参数和组分，改变

2、材料的结构参数和组分， 改变材料的能带结构和物理性能。改变材料的能带结构和物理性能。 2.1 PN结的形成及空间电荷区 2.1.1、PN结的形成及类型 1、PN 结含义：结含义： 在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工 艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶 相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型， 在二者交界面的过渡区即称为PN结。 PN结 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型 点接触型点接触型(a)适用于高频电路，面接触型适用于高频电路，面接触型(b)适用于整流适用于整流 (c)是硅平面工艺型二极管

3、的结构是硅平面工艺型二极管的结构 图，是集成电路中常见的一种形式。图，是集成电路中常见的一种形式。 2.1.1、PN结的形成及类型 2、PN结的类型结的类型 (1)、突变结 l单边突变结 PN结 NP结 P区区N区区 x 杂质浓度杂质浓度 xj NA ND 2.1.1、PN结的形成及类型 (2)、缓变结 NP x 杂质浓度杂质浓度 xj ND -NA 2.1.1、PN结的形成及类型 (3)、实际PN结近似 缓变PN结附近杂质浓度 有两种近似处理方法 A。线性缓变结近似 B。突变结近似 NP x 杂质浓度杂质浓度 xj ND -NA 2.1.1、PN结的形成及类型 线性缓变结近似 适用于表面杂质

4、浓度 较低、结深较深的缓 变结 ( ) j jx x dN x ac dx x 杂质浓度杂质浓度 xj ND -NA 杂质浓度杂质浓度 xj x j DAjj NNa x x 2.1.1、PN结的形成及类型 突变结近似 适用于表面杂质浓度 较高、结深较浅的缓 变结 x 杂质浓度杂质浓度 xj ND -NA 杂质浓度杂质浓度 xj x 2.1.2、空间电荷区 空间电荷区形成空间电荷区形成 内建电场内建电场 内建电场阻止内建电场阻止 多子扩散多子扩散 载流子浓度差载流子浓度差 内建电场促使内建电场促使 少子漂移少子漂移 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离

5、子形成杂质离子形成 空间电荷区空间电荷区 2.1.2、空间电荷区、空间电荷区 NP 空间电荷区空间电荷区XM l空间电荷空间电荷 l空间电荷区空间电荷区 l基本概念：基本概念： 2.1.3、平衡平衡PN结能带图结能带图 （没有外加偏压）（没有外加偏压） 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场 P PN N xpxn VD qVD 势势电电 能能势势子子电电 带带能能 qVD EC EV EF Ei 内建电场内建电场 内建电势差内建电势差VD l基本概念：基本概念： 形成形成PN结前结前 形成形成PN结后结后 平衡平衡PN结有统一的费米能级结有统一的费米能级 2.1.3、PN结能带图 平衡PN结

6、能带图 空间电荷区又称 l势垒区 l耗尽层 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场 P PN N xpxn VD qVD 势势电电 能能势势子子电电 带带能能 qVD EC EV EF Ei 注意：注意：由由“多子多子”变成变成“少子少子” 2.1.4、PN结内建电势差 求VD : 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场 P PN N VD qVD 势势电电 能能势势子子电电 带带能能 qVD EC EV EF Ei 0-Xp Xn 2.1.4、PN结内建电势差 式中 NA：P区掺杂浓度； ND：N区掺杂浓度 ni ：本征载流子浓度 0.026 300 kT VTK q 对于锗PN结，通常可取

7、VD=0.30.4V 对于硅PN结，通常可取 VD=0.60.7V （1）突变结： 2.1.4、PN结内建电势差 式中，：杂质浓度梯度( X=Xj)， Xm：PN结势垒宽度 （2）线性缓变结 （3）推论 2.1.5、平衡、平衡PN结载流子浓度分布结载流子浓度分布 势垒区本征费米能级势垒区本征费米能级 随随x的变化的变化 （1）空间电荷区内的载流子浓度）空间电荷区内的载流子浓度 l（2）空间电荷区边界的少数载流子）空间电荷区边界的少数载流子 浓度浓度 xqVExE ipi kT xEE i iF enxn kT ExE i Fi enxp kT qV nn D np exp 00 kT qV p

8、p D pn exp 00 2.2 PN结直流V-I特性（肖克莱方程） 非平衡非平衡PN结结 l处于一定偏置状态下的处于一定偏置状态下的PN结称结称 为为非平衡非平衡PN结结。 l当当P区接电源的正极，区接电源的正极，N区接电区接电 源的负极，称为源的负极，称为正向正向PN结结。反。反 之，则称之，则称反向反向PN结结。 l外加电压基本降落在势垒区外加电压基本降落在势垒区 2.2.1、正向PN结 （1）势垒的变化 正向电压使 势垒区宽度变窄、 势垒高度变低 外加电场与内建电场方向相反 空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的 平衡 扩散运动强于漂移运动 注入少子 注入的少子边扩散边复合

9、N区区P区区空穴：空穴：电子：电子：P区区N区区 扩散扩散 扩散扩散 漂移漂移 漂移漂移 NP 2.2.1、正向PN结 （2）正向PN结中载流子的运动 电流在 N 型区中主要由电子携带 电流在 P 型区中主要由空穴携带 通过 PN 结的电流在扩散区内实 现电流载体转换 P区N区 jn jp LnLp 正向的正向的PN结电流输运过程结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程 电子扩散电子扩散 空穴漂移空穴漂移 空穴扩散空穴扩散 电子漂移电子漂移 PN 2.2.2、反向PN结 （1）反向PN结的少子抽取 反向电压使势垒区宽度变宽 势垒高度变高 外加

10、电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移运动平衡 漂移运动强于扩散运动 抽取少子 LnLp N区区P区区 电子电子： 空穴空穴：P区区N区区 扩散扩散 扩散扩散 漂移漂移 漂移漂移 NP 2.2.2、反向PN结 (2)反向PN结中载流子的运动 1、反向电流很小 2、在少子扩散长度内有扩散和 产生 3、反向电流趋于不变 P区N区 jp jn LnLp 2.2.3 非平衡非平衡PNPN结的能带图结的能带图 l（1）正偏 l （2）反偏 2.2.4、V-I 特性方程 1 1、理想、理想PNPN结模型结模型 （1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远 低于平衡多子浓度,即掺杂浓度

11、。 （2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区以外为 电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势 垒区的电流密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流的影响。 （5）只考虑一维情况。 2.2.4、V-I 特性方程 2.坐标 以xn、xp为坐标原点 分别建立坐标系。 步骤： 求解“非少子”的扩 散方程 求“非少子”浓度 的边界值 求“非少子”浓度 梯度 分别求电子、空穴 的扩散电流密度 求PN结电流 2.2.4、V-I 特性方程 2.2.4、V-I 特性方程 0 0 exp1 ex PNN PN p1 P p pN p n nP n D qV jq p kTL DqV jq n kTL

12、结 区边界处少子扩散电流密度： 结 区边界处少子扩散电流密度： 2.2.4、V-I 特性方程 2.2.4、V-I 特性方程 肖克莱方程 反向电流：反向电流： 2.2.42.2.4、V-I V-I 特性方程特性方程 l单边结近似 对于P+N结 NAND 对于N+P结 NDNA 对于短PN结 2 / 0 FF qVkTqVkT PnPi P PpD qD PqD n IIAeAe LL N 2 / 0 FF qVkTqVkT nPni n nnA qD nqD n IIAeAe LL N / 0 0 1 () F qVkT P Pn e nppn NP qD n qD P n WL WLIA F

13、WW 2.2.5.V-I特性方程的补充特性方程的补充 （1）影响）影响I 的因素：的因素： （2）具有单向导电性）具有单向导电性 （3） （4）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的 影响。影响。 （5）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入 自建电场。自建电场。 （6）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流 JG的影响。的影响。 （7）当）当T升高时，升高时，JF增大，增大，JR增大。增大。 / 00

14、(1) AA qVkTqVkT IIeI e 2.3 实际实际PN结的特性结的特性 2.3.1 PN结空间电荷区中的复合电流结空间电荷区中的复合电流 正偏时，通过正偏时，通过PN结的总电流为：结的总电流为： RGpn JJJJ 势垒区复合电流 电子和空穴在空电区中，电子和空穴在空电区中， 通过复合中心复合的净复通过复合中心复合的净复 合率合率U可以写为可以写为 1 . 3 . 2 11 2 ppnn nnp U np i 式中，式中，n和和p分别为电子和空穴的浓度分别为电子和空穴的浓度,n1和和p1为费密能级为费密能级EF与复与复 合中心能级合中心能级Et重和时的导带电子浓度和价带空穴浓度重和

15、时的导带电子浓度和价带空穴浓度 势垒区载流子浓度势垒区载流子浓度 2 . 3 . 2 kT xEE i i n F enxn 3 . 3 . 2 kT ExE i p Fi enxp kT EE i p F n F ennp 2 FpFnF qVEE 4 . 3 . 2 2 kT qV i F ennp 由图由图2.2.2 于是于是 （2.3.1）中分子不变）中分子不变 最有效的复合中心能级最有效的复合中心能级 Et 与本征费密能级与本征费密能级 Ei 十分接近，为了简十分接近，为了简 化计算，令化计算，令 ， ，于是复合率公式，于是复合率公式(2.3.1)可可 以简化为以简化为 it EE

16、pn 5 . 3 . 2 2 1 2 i i npn nnp U 式中的分子在空间电荷区中是不随位置变化的，式中的分子在空间电荷区中是不随位置变化的，U的极大值就的极大值就 发生在发生在n + p为极小值的地方。利用（为极小值的地方。利用（2.3.2）、）、(2.3.3)式对式对x求极求极 小值可以得到，小值可以得到，n + p的极小值发生在的极小值发生在 6 . 3 . 2 2 exp kT qV npn F i 1 . 3 . 2 11 2 ppnn nnp U np i max 2 1 2.3.7 2 1 F F qV kT i qV kT n e U e VFkT/q ,上式可进一步简

17、化为上式可进一步简化为 8 . 3 . 2 2 2 max kT qV i F e n U 作为近似计算，假设在势垒宽度作为近似计算，假设在势垒宽度xm范围内，复合率均可用范围内，复合率均可用 （2.3.8）式表示，那么空间电荷区的复合电流密度为）式表示，那么空间电荷区的复合电流密度为 9 . 3 . 2 2 0 2 max m F x kT qV i mRG e n qxdxqUJ （2.3.6）式代入）式代入(2.3.5) 式，可得到空间电荷区中最大的复合率式，可得到空间电荷区中最大的复合率 以以N+P结为例，在不考虑势垒区复合的前提下，利用结为例，在不考虑势垒区复合的前提下，利用 ， 由

18、由 式可得式可得 nnn DL 2 10. 3 . 21 0 kT qV n p nn e n qLJJ 物理含义物理含义是：注入到是：注入到P区的电子电流密度区的电子电流密度Jn ，就是单位时间内，就是单位时间内 在扩散长度在扩散长度Ln内复合的电子电荷量。这个电流是由非平衡少子内复合的电子电荷量。这个电流是由非平衡少子 在扩散区内复合形成的，故称其为扩散电流，记为在扩散区内复合形成的，故称其为扩散电流，记为JD。 流过流过N+P结的正向电流应为（结的正向电流应为（2.3.10）式和（）式和（2.3.9）式之和，）式之和， （2.3.10）式中的正向电压）式中的正向电压V也用也用 表示，可得

19、表示，可得 F V 11. 3 . 2 2 2 0 kT qV i m kT qV n p nRGD FF e n qxe n qLJJJ 0 1 qV np kT n qD n IAe L 势垒区复合电流随外加电压的增加比较缓慢，例如外加电压势垒区复合电流随外加电压的增加比较缓慢，例如外加电压 增加增加0.1V，正向注入电流可增加，正向注入电流可增加50倍，而势垒区复合电流只增加倍，而势垒区复合电流只增加 7倍，因此只有在比较低的正向电压，或者说比较小的正向电流倍，因此只有在比较低的正向电压，或者说比较小的正向电流 时，空间电荷区复合电流才起重要作用；时，空间电荷区复合电流才起重要作用； 势

20、垒区复合电流正比于势垒区复合电流正比于ni ，而正向注入的扩散电流却正比于，而正向注入的扩散电流却正比于 ni2，所以所以ni 越大，复合电流的影响就越小。硅的本征载流子浓越大，复合电流的影响就越小。硅的本征载流子浓 度比锗小，在小电流范围内复合电流的影响就必须考虑，它是度比锗小，在小电流范围内复合电流的影响就必须考虑，它是 使硅晶体管小电流下使硅晶体管小电流下下降的原因。下降的原因。 讨论：讨论： 2.3.2 PN结空间电荷区中的产生电流结空间电荷区中的产生电流 M和和N之间的区域近似看着势垒区之间的区域近似看着势垒区, 在这个区域内，电子的准费密能在这个区域内，电子的准费密能 级级EFN均

21、低于本征费密能级均低于本征费密能级 Ei 可知，可知，nni kT EE i iFN enn EFP均高于本征费密能级均高于本征费密能级Ei iFP EE kT i pne 应有应有pni 忽略式忽略式 11 2 pn n U np i 11 2 ppnn nnp U np i 中的中的n和和p, 负号代表负的负号代表负的 净复合率，即净复合率，即 净产生率。净产生率。 Ei和准费米和准费米 能级的交点能级的交点 为为M、N 如果仍然假设如果仍然假设 i npn 11 pn 12. 3 . 2 2 i n G 势垒区产生电流密度势垒区产生电流密度 13. 3 . 2 2 i mG n qxJ

22、得势垒区电子得势垒区电子-空穴产生率空穴产生率: 11. 2 . 2 0 0 0 p n p n p nD L p qD L n qDJJ 体内扩散电流密度（即反向饱和电流密度）体内扩散电流密度（即反向饱和电流密度） 对对N+P结结 ，忽略空穴电流有，忽略空穴电流有 14. 3 . 2 0 0n p n n pD L n q L D qnJ 扩散电流和势垒区产生电流的比值为扩散电流和势垒区产生电流的比值为 15. 3 . 22 2 13. 3 . 2 14. 3 . 2 0 0 m n i p i m n p G D x L n n n qx L n q J J Aip Nnn 2 0 16.

23、 3 . 22 m n A i G D x L N n J J 可见：可见： ni愈小的半导体所制作的愈小的半导体所制作的PN结，其结，其 反向电流中空电区产生电流所占的比反向电流中空电区产生电流所占的比 例愈大，例愈大， 势垒区产生电流是随势垒区宽度势垒区产生电流是随势垒区宽度 增加而增大的增加而增大的, 所以势垒区产生电所以势垒区产生电 流没有饱和值流没有饱和值 m X 2.3.3 PN结表面漏电流与表面复合、产生电流结表面漏电流与表面复合、产生电流 (1)(1)表面漏电流：表面漏电流：金属离子污染，就相当于在表面处并联了一金属离子污染，就相当于在表面处并联了一 个电导，使本应该是高阻层的

24、区域变成了低阻通道个电导，使本应该是高阻层的区域变成了低阻通道 (2)(2)表面空间电荷区：表面空间电荷区：如果表面钝化氧化层中正电荷密度如果表面钝化氧化层中正电荷密度 很高，就会排斥很高，就会排斥P型硅中的空穴，使表面载流子耗尽，出型硅中的空穴，使表面载流子耗尽，出 现现表面空间电荷区表面空间电荷区（电离受主），表面空间电荷区使（电离受主），表面空间电荷区使 PN 结的空间电荷区延展扩大，给结的空间电荷区延展扩大，给PN结引进了附加的正向复合结引进了附加的正向复合 电流和反向产生电流。电流和反向产生电流。 17. 3 . 2 11 2 pprnnr npnrrN U spsn isspnS

25、S 式中式中 和和 分别表示分别表示 界面处的载流子浓度，界面处的载流子浓度， 这里假设这里假设 ,并令并令 s n s p rrr pn rNs S 0 18. 3 . 2 11 2 0 pnpn npns U ss iss S 于是得到于是得到 2 SiOSi 具有速度的量纲，称之为表面复合速度。具有速度的量纲，称之为表面复合速度。 0 s 一个界面态相当于一个复合中心，单位面积上的复合率为一个界面态相当于一个复合中心，单位面积上的复合率为 (NS 表示单位面 积上界面态的数 目，r 表示俘获 系数) （3 3）界面态的复合电流）界面态的复合电流 20. 3 . 2 2 1 2 0 kT

26、qV iS F ensU 18. 3 . 2 11 2 0 pnpn npns U ss iss S 类似，当类似，当 kT qV iss F enpn 2 时，忽略时，忽略 、 、 ，可得，可得 到最大表面复合率到最大表面复合率 i n 1 n 1 p 结反偏压足够大的情况下，结反偏压足够大的情况下， 、 都将远小于都将远小于 ，忽略式，忽略式 （2.3.18）中的）中的 、 ，得到单位表面复合率，得到单位表面复合率 PNs n s p i n s n s p 11 2 0 pn ns U i S 负号表示在反向偏压下，起作负号表示在反向偏压下，起作 用的是用的是产生产生,而不是而不是复合。

27、复合。 假设界面态位于禁带正中央，于是有假设界面态位于禁带正中央，于是有 i npn 11 用用 表示最大单位表面产生率，则有表示最大单位表面产生率，则有 S G 21. 3 . 2 2 1 0 snG iS （4 4）界面态的产生电流）界面态的产生电流 18. 3 . 2 11 2 0 pnpn npns U ss iss S 表面产生电流表面产生电流 22. 3 . 2 2 1 0SiSSGS AsqnAqGI 对于热氧化的硅表面，对于热氧化的硅表面， 大概是大概是110cm/s，对于大约，对于大约 的表面面积，对应的表面产生电流大概是十几个的表面面积，对应的表面产生电流大概是十几个 。

28、0 s 23 10cm pA 0 0 0 2.2.13 np Pn Pn qD n qD p IA LL D i n N n p 2 0 A i p N n n 2 0 2 0 2.5.14 nP i PDnA DD IAqn L NL N 利用利用 与与 关系，式（关系，式（2.2.13）可改写为）可改写为 0 23 2.5.15 g E kT i nKT e 为常数，为常数， 为绝对零度时的禁带宽度，代入（为绝对零度时的禁带宽度，代入（2.5.14）式，）式，K 0g E 16. 5 . 20 0 3 00 kT Eg eTITI 2.3.4 PN结的温度特性结的温度特性 理想情况下，理想

29、情况下， PN结的反向饱和电流结的反向饱和电流 反向饱和电流随温度升高是增加的. 锗PN 结温度每升高10K，硅PN结温 度每升高6K，反向饱和电流就增加 一倍。 对于硅对于硅PN结，反向产生电流是起主要作用的，因此硅结，反向产生电流是起主要作用的，因此硅PN结反结反 向电流随温度的变化取决于反向产生电流随温度的变化。向电流随温度的变化取决于反向产生电流随温度的变化。 将式（将式（2.5.15）代入式（）代入式（2.3.13），并乘以结面积），并乘以结面积A，可得势，可得势 垒区产生电流垒区产生电流 17. 5 . 2 2 22 3 0 22 3 2 1 0 0 kT E G kT E m G

30、 g g eTIeTK qx AI 将式（将式（2.5.15）代入）代入PN结正向电流公式结正向电流公式 ，可得正，可得正 向电流与温度的关系式向电流与温度的关系式 kT qV F F eII 0 0 3 0 02.5.18 Fg qVE kT F IIT e 在电流不变的情况下，在电流不变的情况下，PN结上的结上的 电压也随温度改变，由电压也随温度改变，由PN结正向电结正向电 流公式也可以得到正向电压流公式也可以得到正向电压 0 ln2.5.19 F F IkT V qI 综上所述，温度对综上所述，温度对PN 结的正向电流、正向结的正向电流、正向 导通电压、反向电流、导通电压、反向电流、 反

31、向击穿电压都有很反向击穿电压都有很 大的影响。在大功率大的影响。在大功率 器件中，当器件工作器件中，当器件工作 在高温情况时，温度在高温情况时，温度 对器件性能的影响是对器件性能的影响是 必须加以考虑的。必须加以考虑的。 2.4 PN结空间电荷区结空间电荷区 2.4.1 空间电荷区中的电场空间电荷区中的电场 x轴各处（图轴各处（图2.4.2）的电力线密度是不）的电力线密度是不 同的。同的。 .在在PN结交界面，即结交界面，即x0处的电力处的电力 线密度最大，电场也最强，因为右侧线密度最大，电场也最强，因为右侧 所有正电荷所发出的电力线都要通过所有正电荷所发出的电力线都要通过x 0面才能到达负电

32、荷区。面才能到达负电荷区。 .在在x-XP和和Xn处，没有电力线通过，处，没有电力线通过， 所以电场强度为零；所以电场强度为零； 泊松方程：泊松方程： 0 () ( )0 Dn n S qNxx E xxx 0 x xn 的各点的电场强度为 0 () ( )0 Ap p S qNxx E xxx - 在 P 型一侧（xpx0）， 电场电场E在在PN结两边随结两边随x线性分布，在势垒边界处为零。线性分布，在势垒边界处为零。 在在 x=0处，电场有处，电场有最大值最大值EM 。 00 Ap Dn M ss qN x qN x E - 由于电中性的要求，空间电荷区由于电中性的要求，空间电荷区正负电荷

33、的总量正负电荷的总量应该相等，即应该相等，即 DnAP qN xqN x 由上式可以得到由上式可以得到 2.4.1 nA pD xN xN 表明：表明：PNPN结空间电荷区在结空间电荷区在P P区和区和N N区的厚度与掺杂浓度成反比区的厚度与掺杂浓度成反比 对对N+P结或结或P+N结，空间电荷区主要在轻掺杂一侧展宽结，空间电荷区主要在轻掺杂一侧展宽。 电场强度电场强度E在势垒区的积分就表示在势垒区的积分就表示PN结两边的电位差结两边的电位差。对平。对平 衡衡PN结，结，N区和区和P区的电位差就是区的电位差就是接触电势差接触电势差VD；当；当PN结外结外 加电压加电压V时，时，N区和区和P区的电

34、位差就等于区的电位差就等于VD-V。PN结正偏时结正偏时V 0，N区和区和P区的电位差就减小；区的电位差就减小；PN结反偏时结反偏时V0，N区和区和P 区的电位差就增大，所以有区的电位差就增大，所以有 5 . 4 . 2 2 1 )( 2 1 )( mMpnM x x D xExxEdxxEVV n p 式中式中 为耗尽层总宽度。积分的结果就是图为耗尽层总宽度。积分的结果就是图2.4.3中的中的 三角形面积三角形面积。 pnm xxx 2.4.2 空间电荷区中的电势分布空间电荷区中的电势分布 对于单边突变结，耗尽层宽度为对于单边突变结，耗尽层宽度为 0 2() 2.4.6 SD m D VV

35、x qN 0 2() 2.4.7 SD m A VV x qN 0 0 2() 2.4.8 SD m VV x qN 如果用如果用N0表示低掺杂一边的杂质浓度，则表示低掺杂一边的杂质浓度，则(2.4.6)式和式和(2.4.7)式可式可 统一写为统一写为 2.4.3 空间电荷区宽度空间电荷区宽度 0 2()() SDAD m DA NNVV x qN N 【例】假设【例】假设Si的单边突变结上外加反压为的单边突变结上外加反压为20伏，伏，N01015cm-3， 硅的硅的s11.8，08.8510-14Fcm，计算耗尽层宽度和最大场，计算耗尽层宽度和最大场 强。强。 解：把解：把 VDV 20伏，

36、代入伏，代入(2.4.8)式，则有式，则有 4 1519 14 105 10106 . 1 201085. 88 .112 m x 4 14 41519 0 0 108 . 7 1085. 88 .11 10510106 . 1 S m M xqN E 厘米厘米5微米微米 伏伏/厘米厘米 1 3 0 12() 2.4.9 SD m VV x qa *线性缓变结的空电区的宽度和最大场强分别为线性缓变结的空电区的宽度和最大场强分别为 2 0 () 2 m M S xqa E - 2.5 PN结电容结电容 平行板电容器平行板电容器 +Q-Q E d +- V 面积面积A 电容电容C定义为：定义为：

37、Q V C斜率斜率 A dV Q C 直流和交直流和交 流时均成流时均成 立立 如果如果C随外加电压变化，是可变电容，随外加电压变化，是可变电容， 则要引入则要引入微分电容微分电容的概念的概念 直流偏压直流偏压V下的微分电容下的微分电容C定义为：定义为： +Q-Q E d + - V 面积面积A + Q - Q V Q V C（V斜率斜率 ( ) ( ) dQ V C V dV 半导体中的电容通常是可变电容半导体中的电容通常是可变电容 例如：突变例如：突变PN结电容结电容 ( ) ( ) d d dx VdQdQ C dVdx VdV dDx qANQ A x C d 和平行板和平行板 电容器

38、形电容器形 式一样式一样 +- V P+N xd 偏压改变偏压改变 V 2.5.1.势垒电容 1 1、势垒电容的来源势垒电容的来源 当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地 流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电、放电， 这就是PN结势垒电容势垒电容。 2.5.1.势垒电容 2、突变结势垒电容计算 3 . 5 . 2 0 m S T x A C 2.5.1.势垒电容 3、势垒电容的讨论 （1）PN结势垒电容和平板电容不同，是非线性电容 （2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应 （3）PN结势垒电容与外加电压有关 正偏电压越高，电容越大。 反偏电压越高，电容越小。 （4）PN结势垒电容与

39、其杂质浓度分布有关 （5 5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与 实际值接近，而正偏下计算的CT则误差较大 2.5.2、PN结扩散电容 正向正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化 所产生的电容效应称为所产生的电容效应称为“扩散电容扩散电容”，用用CD来表来表 示。示。 当当PN结外加正向偏压结外加正向偏压V，在其势垒区二边的扩，在其势垒区二边的扩 散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当V升升 高，注入的高，注入的“少子少子”电荷增多。一个扩散长度范围电荷增多。一个扩散长度范围 内，便形成了非平衡少子和与它保持

40、电中性的多子内，便形成了非平衡少子和与它保持电中性的多子 的积累，相当于电容的积累，相当于电容“充电充电”；当；当V降低，注入的降低，注入的 “少子少子”电荷减少，相当于电容电荷减少，相当于电容“放电放电”。 2.5.2、PN结扩散电容 当正向偏压增加当正向偏压增加dV时时， 从从P区注入到区注入到N区的空穴区的空穴 增加增加d p（图中阴影部分（图中阴影部分 所示），与之保持电中性所示），与之保持电中性 的电子也增加的电子也增加d n。同。同 样样P型扩散区内积累的非型扩散区内积累的非 平衡电子和与它保持电中平衡电子和与它保持电中 性的空穴也要增加性的空穴也要增加 d n和和d p。 5 .

41、 5 . 2) 1()( 0 xxeepxp n L xx KT qV n p n 6 . 5 . 2) 1()( 0p L xx KT qV p xxeenxn n p 设扩散区内，非平衡载流子的分布近似为线性分布设扩散区内，非平衡载流子的分布近似为线性分布 0 ( )(1)2.5.7 2 n qV pn KT p x qL p Qqp x dxe 上述二式积分，得到单位面积扩散区积累的上述二式积分，得到单位面积扩散区积累的电荷总量电荷总量 0 ( )(1)2.5.8 2 p qV x np KT n qL n Qqn x dxe 2 0 2.5.9 2 qV np P kT DP q p

42、L dQ Ce dVkT 2 0 2.5.10 2 qV pn n kT Dn q n L dQ Ce dVkT 单位面积上的总扩散电容为单位面积上的总扩散电容为 2 00 2.5.11 2 qV kT DDPDnnppn q CCCp Ln Le kT 如果如果PN结面积为结面积为A，则，则PN结加正偏压时总的结加正偏压时总的微分扩散电容微分扩散电容为为 2 00 2.5.12 2 qV kT DDnppn Aq CACp Ln Le kT 对P+N结，可略去上式括号中的第二项，得到 13. 5 . 2 0 2 kT qV pn D e kT LpAq C 上式表明：扩散电容随正向偏压上式表明：扩散电容随正向偏压按指数关系增加按指数关系增加，所以在，所以在较大较大 的正向偏压时，扩散电容便起主要作用的正向偏压时，扩散电容便起主要作用。其大小一般。其大小一般为数百至为数百至 数千皮法数千皮法，即它比势垒电容要大许多。因此，即它比势垒电容要大许多。因此PN结正偏时的电容结正偏时的电容 值主要取决于扩散电容，而反偏时则由势垒电容值决定。值主要取决于扩散电容，而反偏时则由势垒电容值决定。 2.6 PN结击穿 2.6.1、PN结击穿的含义 PN结反向电压超 过某一数值时，反向 电流急剧增加的现象 称为“PN结击穿结击穿”， 这时的电压称为击穿击穿 电压（电压（