第2章_2_PN结.ppt

1、2.3 PN结和晶体二极管,集成电路和半导体器件的许多特性都是PN结相互作用的结果，因此PN结是微电子器件的基础。,IC中的PN结,PN结,2.3.1 平衡状态下的pn结,PN结示意图及二极管表示符号,击穿电压,反向饱和电流,二极管结构 实际PN结剖面图 二极管伏安特性,I,V,1.空间电荷区的形成,多子,少子,两边的电子和空穴浓度存在较大的浓度差，相互扩散，离化杂质形成带电区域，称为空间电荷区,少子,多子,空间电荷区耗尽层,空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子,PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子，空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空

2、穴浓度存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动，它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空间电荷区。,PN结空间电荷区（耗尽区）,形成的原因：载流子的漂移和扩散运动,耗尽区,载流子 分布,由空间电荷区形成的电场称为自建电场，方向由N区指向P区。 载流子进行漂移运动，方向与扩散运动方向相反，随着不断扩散，两个运动都增强，直到完全相互抵消，达到平衡状态。 此时的载流子分布如图所示。,pn,2.势垒区,自建场的建立,必然形成相应

3、的电位分布,电位分布与位置有关,在空间电荷区两侧的中性区,电位是常数.取P区电位为参考点,则N区将呈现正电位。,O,x,VD,N区,P区,2. 平衡的PN结：没有外加偏压,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,两边电位差VD称为接触电势差。 ND为空间电荷区N型一侧边界处施主杂质浓度，NA为空间电荷区P型一侧边界处受主杂质浓度，因此接触电势差的大小与PN结两侧掺杂浓度有关。一般硅PN结的VD为0.6V，锗PN结的VD为0.3V。,由于在PN结中形成了电位分布，导带中的电子在不同的电位处有不同的能量(-qV)。与此相对应的是导带将不再水平，而是

4、在原来的基础上叠加一个(-qV(x)，这就使能带发生了弯曲，如下图所示。 P区中导带电子比N区中电子势能高qVD，也就是说势能低的N区电子必须克服这个势垒才能到达势能高的P区，因此空间电荷区又称为势垒区.,P,N,qVD,Ec,Ev,EF,能带结构,3 耗尽层,由于在空间电荷区中,载流子非常少,大多数是已电离的杂质原子,可以认为空间电荷区中载流子已完全耗尽,故形象地称为耗尽层. 空间电荷区=势垒区=耗尽区,自建势qVbi,平衡时的能带结构,有一个硅二极管P区和N区的掺杂浓度均为11016个原子/cm3,求接触电势差 如果是锗,1.正向偏压作用 P区接外加电源正极,N区加外接电源的负极,由于耗尽

5、区中载流子已完全耗尽,因此该区域为高阻区,外加电压基本全落在空间电荷区上.外加电场与自建电场方向相反,使空间电荷区中的自建电场减小,空间电荷区中形成电场的电荷总量相应减少其结果是势垒区高度从qVD降至q(VD-V),势垒区宽度也相应变窄.,+,-,2.3.2 pn结的单向导电性,空间电荷区中电场减小后,就削弱了漂移运动,从而破坏了载流子原来扩散运动和漂移运动的平衡,使扩散电流大于漂移电流. 在外正向电压作用下,电子从N区向P区,空穴从P区向N区分别形成净扩散流. 此时进入P区的电子流和进入N区的空穴流都是相应区域中的少数载流子,使区域中的少数载流子高于平衡时的数值,它们是非平衡少数载流子. 由

6、于现在进入半导体中的非平衡载流子是外加电压作用的结果,因此称为电注入.,2.反向偏压作用,外加偏压几乎全落在空间电荷区上.方向与空间电荷区内建电场一致,使空间电荷区变宽，相应势垒高度也由qVD增至q(VD+V)。 由于电场增强，加强了载流子的漂移运动，打破了原先已达成的扩散电流和漂移运动之间的平衡。,这样空间电荷区中N区一侧边界xn处的空穴被强电场驱向P区，使该处少子空穴浓度低于N区内部少子空穴浓度，形成浓度差，因此N区内部空穴就会通过扩散运动前来补充， 但一旦扩散到xn处又 立即被强电场拉到P区。 如同该处少子被不断 抽出，又称为少数载 流子的抽出或吸出。 P区中的电子情况与此 类似,由于少

7、子浓度很低，扩散长度为一定值，所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随外加电压的增加电流趋于饱和。,1.理想pn结模型 （1）小注入 （2）耗尽层近似 （3）不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用 （4）耗尽层边界处载流子浓度满足玻尔兹曼分布。,2.3.3 理想pn结模型及其伏-安特性,（2） 理想伏安特性,在理想PN结模型下，解半导体方程，可得到下面的公式：,IS为pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子

8、浓度和少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。,Dn和Dp：扩散系数， n和p：载流子寿命,（3） PN结的单向导电性,在室温下，(kT/q)=0.026V，若外加正向偏压V比(kT/q)大很多时，电流和电压有近似指数关系。 当V为反偏时，V为负值，若外加反向偏压绝对值V比(kT/q)大很多时，有I-IS 说明电流近似为常数，呈饱和状态，因此Is称为饱和电流。即PN结具有单向导电性。,(4)单边突变PN结,单边突变PN结：一边的掺杂浓度远大于另一边的掺杂浓度。 如NPN三极晶体管中，发射极的掺杂浓度远大于作为基区的P区的掺杂浓度，记作N+P。 在这种情况下，N区中的多子nn0

9、远大于P区多子空穴浓度pp0，因此N区中的平衡少子pn0远小于P区平衡少子浓度np0，则有,2 实际的伏安特性 N称为发射系数，N=12 硅二极管的反向饱和电流为nA级（室温） 锗二极管的反向饱和电流为uA级（室温） IS随温度变化而变化，成正比 每上升10,增加一倍电流,2.3.4 pn结电容 PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN结的高频应用。 1. pn结势垒电容 （1）pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关，是一个可变电容。

10、,突变结电容的定量计算,突变PN结势垒区中电荷和电场的分布 突变结指P区和N区内杂质分布均匀,在结处发生突变。 在耗尽层近似下可得到由下式表示的空间电荷区电荷密度分布。,突变结电场分布： -xpx0 0xxn 势垒电容,势垒电容CT为： 上式表明，势垒区电容相当于一个平板电容器。该平板电容器极板之间的距离就是势垒区宽度。,对于P+N单边突变结，xd和CT为：,对于PN+结，将上式中的ND改为NA 可见，势垒区宽度和电容主要由轻掺杂一边的杂质浓度和外加电压决定。,反偏情况下势垒电容的一般形式 将外加电压为0时的势垒电容称为零偏电容记为CT0,则突变PN结的零偏势垒电容为,（3）势垒电容的一般形式

11、 线性缓变结 势垒电容的一般形式,一个硅二极管ND为1015/cm3,NA远大于ND， VD为0.5V，若外加偏置电压为10V，求空间电荷区的宽度和势垒电容,正偏时的势垒电容 正偏时,势垒区宽度xd减小,导致势垒区电容增大.但这里有大量载流子通过势垒区,对势垒电容也有影响 VVD/2 VVD/2,2、扩散电容 （1）扩散电容的定性分析 由于扩散区中存储电荷的数量随外加电压变化的作用相当于是一种电容效应，称之为扩散电容。,（2）扩散电容的计算公式 单位面积扩散电容为：,总的扩散电容 对于p+n结： 对照结电流的表达式，令JD=I/A，则CD为：,3 PN结电容,PN结电容等于势垒电容和扩散电容之

12、和. 正向偏置时,由于正向电流JD较大,使扩散电容大于势垒电容.反偏时,流过PN结的是很小的饱和电流,扩散电容很小,主要是势垒电容起作用.,击穿现象:加在PN结上的电压增大到一定程度时，出现反向电流突然变得很大。 1.雪崩击穿 由于反向偏压，势垒中的电场很强以致电子和空穴在电场的加速下能把价键上的电子碰撞出来产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场的加速下又能把价键上的电子碰撞出来如此连锁反应好比雪崩一样，导致电流迅速增加。,2.3.5 pn结击穿,掺杂浓度越低，击穿电压越高,2. 隧道击穿（齐纳击穿） 在较高的反向偏压的作用下，pn结p区价带顶附近电子的能量可升高到超过n区导带底电子能量的程

13、度， 使p区中的价带的电子可以借助量子力学中的隧道效应穿过禁带而直接到达n区导带，从而构成很大的反向电流。 3 热击穿,2.3.6 二极管等效电路模型和二极管应用,器件模型和模型参数 二极管、三极管、MOS管是非线性器件，描述器件特性的端电压和端电流之间的关系比较复杂。 为了对包含这种器件的电路进行定量分析， 一般都用一个等效电路代替相应的器件。这种等效电路称为器件模型，等效电路中各个元件值所用的参数称为器件模型参数。 一般通过器件物理分析确定不同类型器件的等效电路模型的具体形式，再根据器件特性测试数据撮出该器件特性的模型参数。 目前，电路模拟软件都包括有模型参数库。,根据前面所述的PN结直流特性、电容效应和击穿，可得下面的二极管等效电路模型,2. 二极管等效电路模型和模型参数,（1）伏-安特性 （2）端电压Vd与结电压VJ关系 VJ=Vd-IDRS (3)电容表达式 （势垒电容） （扩散电容）,3 二极管模型参数,整流、钳位、检波、稳压、电平位移等功能。 特殊作用：PN结隔离，PN结电容,2.3.7 pn结及其应用,1.肖特基二极管（SBD）,2.3.8 其他半导体二极管,肖特基二极管是利用金属和半导体的功函数的不同而形成的一种整流接触二极管。是多数载流子工作的一种单极型器件，响应速度快。 金属和半