第二章PN结资料.ppt

1、2.1.1 PN结空间电荷区,（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图,（b）接触后的能带图,1,从费米能级恒定观点来看，热平衡pn结具有统一费米能级。 形成pn结之后，n区费米能级和p区费米能级统一。 可见， 是热平衡时电子从 N区进入到P区、空穴从P区 进入到N区需要跨越的势垒 高度。 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。,2,3.耗尽层 -突变结,突变结势垒中的电场、电势分布 耗尽层近似：在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这称为耗尽近似。 杂质完全电离：,3,在N侧和P侧泊松方程可以分别简化为： 对于0 x xn： 取边界条件：x=xn，,4,取x=xn处

2、，,5,对于单边突变结P+N，空间电荷区两边的内建电势差为： 对于P+N，耗尽区的宽度为：,6,例2-1,硅突变PN结二极管N侧与P侧的掺杂浓度分别为Nd=1016cm-3和Na=41018cm-3。计算在室温下零偏压时的内建电势差、耗尽层宽度和最大电场。,7,2.2 加偏压的PN结,对于平衡的pn结，存在着一定宽度和势垒高度的势垒区，其中相应出现了内建电场； 每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，没有净电流通过pn结，EF处处相等。,8,2.2.1 PN结的单向导电性,1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 正向偏压：势垒区宽度减小，高度降低；载流子的扩散运动大于漂移运动。 由于

3、外加正向偏压的作用使非 平衡载流子进入半导体的过程 称为非平衡载流子的电注入。,9,势垒区：宽度增加，高度增高； 载流子：漂移大于扩散。,当pn结加上反向偏压V时：,10,正向偏压：势垒区宽度减小，高度降低；扩散大于漂移，向p区、n区注入少子。 反向偏压：势垒区宽度增加，高度增高；漂移大于扩散，从p区、n区抽取少子。,11,外向偏压时，pn结中电流的分布情况,通过pn结任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,12,2. 外加直流电压下，pn结的能带图 正向偏压时：,13,反向偏压时：,14,2.2.2 少数载流子的注入与输运,1.扩散近似 正向偏压

4、下，注入到N(P)区的空穴(电子)，对于N(P)区来说是少数载流子，所以这种注入现象又称为少数载流子的注入。 对于N侧： 对于P侧：,15,2.空间电荷区边界的少数载流子浓度 加上偏下V，空间电荷区电势差变成,16,当PN结加上正向偏压时，在结边缘npnp0，pnpn0，这种现象称为载流子正向注入； 当PN结加上反向偏压时，在结边缘npnp0，pnpn0，这种现象称为载流子正向注入；,17,注入P+N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布,18,2.3 理想pn结二极管的直流电流电压特性,理想pn结模型： （1）忽略中性区的体电阻和接触电阻，外加电压全部降落在耗尽区上。 （2）半导体均匀掺杂。 （

5、3）小注入：即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小很多。 （4）空间电荷区内部存在复合电流和产生电流。 （5）半导体非简并。,19,计算理想pn结模型的电流电压方程式的步骤,1、根据准费米能级计算势垒区边界nn及pp处注入的非平衡少数载流子浓度； 2、以此非平衡少数载流子浓度为边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布； 3、将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程扩散流密度少数载流子的电流密度； 4、将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式。,20,在N型中性区，稳态时 ，同时E=0，G=0： 解： 边界条件：,21,22,正向

6、偏压： 反向偏压： I0称为饱和电流,23,Shockley方程,正向偏压情况下的PN结,（a）少数载流子分布,（b）少数载流子电流,（c）电子电流和空穴电流,24,反向偏压情况下的的PN结,（a）少数载流子分布,（b）少数载流子电流,（c）电子电流和空穴电流,25,例2-2,26,PN结饱和电流的几种表达形式：,（1） （2） （3） （4）,27,2.4 空间电荷区的复合电流和产生电流,低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 偏压升高： 扩散电流占优势 更高偏压： 串联电阻的影响,28,衬底掺杂浓度为1016cm3的 硅扩散结的电流电压特性,29,在正向偏压下，从n区注入p区的电子和从p区注入

7、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，称为势垒区复合电流。 假定复合中心与本征费米能级重合，令rp=rn=r，则： 当n=p时，U最大：,2.4.1 正偏复合电流,30,越小，电压越低，势垒去复合电流的影响越大； 用硅制作的PN结，在小注入情况下，正向电流可能由势垒区的复合电流控制；锗PN结空间电荷区复合电流的影响可以忽略不计。,31,2.4.2 反偏产生电流,反向偏压下，势垒区内电场加强，势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率，具有净产生率，从而产生另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流。,32,2.5 隧道电流,产生隧道电流的条件: （1）费米能级位于导带或价带的

8、内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。 当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。,33,由重掺杂的简并的p区和n区形成的pn结，由于与隧道效应密切相关，称为隧道结。,34,35,隧道二极管的特点和应用上的局限性 （1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数 载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。 （2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二 级管的工作温度范围大。 （3）由于

9、隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子 渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道 二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电 路以及低噪音微波放大器。 由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二 极管的利用受到限制 。,36,2.6 I-V特性的温度依赖关系,当PN结处于正向偏置时 ：,式中ni随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（0.3V）就使Id占优势。,有,37,当PN结处于反向偏置时， ，,随着温度增加，ni 增大，也是扩散电流占优势。 反向偏压情况下，二极管I-V特性的温度

10、效应：,相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。,38,对T求导，所得的结果除以I0，得到,在正向偏置情况下，取 ，导出,得到：,和,39,在正向偏置情况下取 ， 又 ，代入上式得 类似地得到,40,和,41,硅二极管正向和反向两种偏压下的温度依赖关系:,图2-15 硅平面二极管电流 电压特性的温度效应,图2-16 在硅PN结二极管中反 向饱和电流与温度的关系,42,2.7 耗尽层电容、求杂质分布和变容二极管,2.7.1 C-V关系 反向偏压： 正向偏下：,43,2.7.2 求杂质分布 在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此称求杂质分布。,式中N(W)是在

11、空间电荷层边缘W处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间具有如下关系：,电场增量偏压增量的具有如下关系：,44,C即为耗尽层电容介质厚度为W的平板电容。,求杂质分布的程序：,在不同反偏压下测量电容：,45,杂质分布的程序： 求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度W： 画出1/C2相对V的曲线。 从此1/C2曲线中取 并将其结果代入式计算出N(W)。 画出完整的杂质分布N(W) 。 注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。,46,由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果:,47,48,例2-3 考虑在 的衬底上通过硼的两步扩散制成的

12、PN结。硼的表面浓度为 ，结深为5m。假设自建电势为0.8V，求在5V反偏压下的结电容。 解：因为 所以有 此外,49,2.7.3 变容二极管 根据,可见反向偏置的PN结可以作为电容使用在LC调谐电路中。专门为此目的制造的二极管称为变容二极管。,结型二极管的电容电压方程可写成 ：,50,2.8 PN结二极管的频率特性,器件处理连续波时所表现出来的性能叫做器件的频率特性。在小信号工作时，信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化跟得上信号的变化。,若外加交流信号电压 ，则满足小信号条件,51,52,对于N型中性区，空穴分布为： 其中第一项代表稳态分布，第二项代

13、表与时间有关的分布。 满足连续性方程。 由于 因此： 其中：,求边界条件： （1）x=xn处： 其中： 对于小信号： 其中：,53,边界条件： x=xn处的空穴电流为： 同理，注入到P区的电子的交流分量为：,54,PN结的总交流电流为：,55,交流导纳：Y,对于P+N二极管， 若 P+N二极管正向电流直流部分： 二极管直流电导： PN结扩散电容：,56,二极管的等效电路,在许多应用中，总是根据在使用条件下半导体器件各部分的物理作用，用电阻，电容，电流源和电压源等组成一定的电路来达到等效器件的功能，这种电路叫做等效电路。 PN结小信号交流等效电路如图所示。,57,2.9 PN结二极管的开关特性,

14、2.9.1 电荷贮存和反响瞬变 PN结二极管的开关作用： 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，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。,58,PN结的反向瞬变:电流和电压的延迟现象。,59,PN结二极管的电荷贮存效应： PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。 在一般情况下，可以把时间ts规定为反向瞬变的结束。要在PN结二极管中得到高的开关速度，少数载流子寿命应当很短，此外，在电路设计时

15、，需要有大的反偏电流和小的正偏电流。在实际应用中，对用于制造计算机的二极管，掺金是一种缩短少子寿命的有效方法。,60,2.9.2 阶跃恢复二极管,反向瞬变波形可以通过在二极管中引入一自建场进行修正。例如若在 二极管轻掺杂一侧的杂质浓度为 则，自建电场 为 于是注入的非平衡少子空穴既有扩散运动，也有在自建场作用下的漂移运动。自建场沿着 方向，漂移电流也沿 方向当二极管由正向偏置转换到反向偏置之后，注入少子空穴开始反向流向空间电荷区，而此时自建场 将加速这种流动。,61,PN结击穿：当加在PN结上的反偏压增加到一定数值，再稍微增加，PN结就会产生很大的反向电流，这种现象叫做结击穿。击穿过程并非具有破坏性的，只要最大电流受到限制，它可以长期地重复。 击穿机制： 齐纳击穿：齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。齐纳击穿发生在低电压情况下，比如硅PN结低于4伏特情况下发生的击穿。 雪崩击穿：对于高电压击穿的结，例如，在硅中大于的击穿，雪崩机制是产生击穿的原因。,2.10 P结击穿,62,1.雪崩击穿 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，迅速增大了反向电流，