第5章-P-N结培训课件

第5章-P-N结2.扩散法扩散法制造P-N结，如图所示在N型硅单晶上，生长一层SiO2，通过光刻、扩散将P型杂质扩散入N型硅单晶中，形成P-N结，也称为扩散结。扩散法制造P-N结3.离子注入法离子注入法是比合金法和扩散法都要新的掺杂技术，如图所示，把杂质元素，如硼、磷等，经过离子化后成为掺杂离子，通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入半导体内部，达到掺杂的目的，经过退火就形成了P-N结。离子注入法制造P-N结5.1.2平衡P-N结1.空间电荷区当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区；同理，在P-N结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区。通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区，也称之为势垒区或耗尽层。5-8空间电荷区2.平衡P-N结的形成电子的扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反，从而相互抵消。对于空穴，情况完全一致，因此没有净电流流过P-N结，即净电流为零。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展，保持一定的宽度，同时存在一定的内建电场。一般在这种情况下的P-N结称为热平衡状态下的P-N结，简称平衡P-N结。3.平衡P-N结的能带图4.平衡P-N结的载流子分布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。独立的N型、P型半导体的能带图平衡P-N结的能带图5.2P-N结的直流特性5.2.1P-N结的正向特性当P-N结加有正向偏压时，即P区接电源正极，N区接负极，外加电压的方向与自建场的方向们相反，使空间电荷区中的电场减弱，这样就打破了扩散运动相漂移运动的相对平衡，使载流子的扩散运动超过漂移运动，扩散运动成为矛盾的主要方面。P-N结加有正向偏压

5.2.2P-N结的反向特性当P-N结外加反向偏压时，外电场的方向与自建场的方向相同，增强了空间电荷区中的电场，载流于的漂移运动超过了扩散运动，漂移运动成为了矛盾的主要方面。P-N结加有反向偏压5.2.3P-N结的伏安特性将P-N的正向特性和反向特性组合起来，就形成了P-N结的伏安特性。P-N结的伏安特性5.3P-N结电容P-N结交界处存在势垒区，结两端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。P-N结电容分为两部分，势垒电容和扩散电容。5.3.1势垒电容当P-N结加正向偏压时，势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。加反向电压升高时，一方面会使耗尽区变宽，会使P区的空穴进一步远离耗尽区，也相当于对电容的放电。P-N结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种P-N结的电容效应称为势垒电容。5.3.2扩散电容P-N结势垒电容主要研究的是多子，是由多子数量的变化引起电容的变化。而扩散电容研究的是少子。正向电压增加时，N区将有更多的电子扩散到P区，也就是P区中的少子电子浓度、浓度梯度增加。同理，正向电压增加时，N区中的少子空穴的浓度、浓度梯度也要增加。相反，正向电压降低时，少子浓度就要减少。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。5.4P-N结击穿5.4.1雪崩击穿当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的能量，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴，即第一代载流子。势垒区中电子碰撞出来一个电子和一个空穴，即第二代载流子，于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子在强电场作用下，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子-空穴对。空穴也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应。由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，像雪崩一样增加载流子迅速增大了反向电流，从而发生P-N结击穿，这就是雪崩击穿的机理。

雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外，还与势垒区的宽度有关，因为载流子动能的增加，需要有一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很强，载流子在势垒区加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就不能产生雪崩击穿。5.4.2隧道击穿隧道击穿是在高的反向电压下，P-N结中存在强电场，它能够直接破坏共价键将束缚电子分离来形成电子-空穴对，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带，形成大的反向电流，所引起的一种击穿机理，也称为齐纳击穿。对于一定的半导体材料，势垒区中的电场越大，或隧道长度越短，则电子穿过隧道的几率越大，越容易发生隧道击穿。另外隧道击穿需要的电场强度很大，只有在杂质浓度特别大的P-N结才做得到，因此一般的P-N结掺杂浓度没这么高，雪崩击穿机理是主要的，在重掺杂的情况下，隧道击穿机理变为主要的。5.5P-N结的开关特性与反向恢复时间5.5.1P-N结的开关特性利用P-N结正、反向电流相差悬殊这一特性，可以把二极管作开关使用。二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态；二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态。5.5.2P-N结的反向恢复时间当电压由正向变为反向时，电流并不立刻变小，而是在一段时间ts内，反向电流始终很大，二极管并不关断。经过ts后