第二章 PN结.ppt

1、第二章 PN结,中国计量学院光电学院,一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、PN结的电容效应 五、 PN结的隧道效应,P型半导体和N型半导体相结合PN结 PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。 异质结、同质结,将杂质掺入半导体常用的方法：合金法、扩散法、外延生长法、离子注入法等。 合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化，杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区域，得到了所需的P-N结。用合金法制

2、得的P-N结称为合金结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合金结被称作突变结。 扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓变的，扩散结亦称缓变(渐变)结。,PN结的制备方法及杂质分布,PN结的形成,扩散运动：空间电荷区展宽 漂移运动：空间电荷区变窄 多子的扩散和少子漂移运动达到动态平衡。,耗尽层 势垒区,电位U,电子势能,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合

3、面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散,不对称PN结,P区和N区的掺杂浓度相同对称结； 如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.,平衡PN结能带图,PN结的单向导电特性,PN结的单向导电性只有在外加电压时才会表现出来,PN结加正向电压 正, 负。正向电压或正向偏置(简称正偏),PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻,外电场,正向电流IF,扩散运动大于漂移运动,多数载流子形成的扩散电流起支配

4、作用,少数载流子形成的漂移电流方向相反，很小，可忽略。,PN结加反向电压 将电源的正极接区, 负极接区PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏),PN结处于截止状态, 呈现出一个很大的电阻(高达几百千欧以上)。,外电场,漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流,故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,综上所述：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 即PN结具有单向导电特性。,关键在于耗尽层的存在,ID,UBR,PN

5、结U-I特性曲线,伏安特性方程,加正向电压时，UD只要大于UT几倍以上，,加反向电压时，|UD|只要大于UT几倍以上，则 IDIS,UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV,PN结的伏安特性,PN结的击穿特性,当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的反向击穿电压。 电击穿 热击穿 PN结发生电击穿的机理可以分为两种雪崩击穿和齐纳击穿,雪崩击穿,在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共

6、价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁反应, 使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。,齐纳击穿,在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。 一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 4V时为齐纳击穿； UBR介于47V时，两种击穿都有。,发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向电流的数值(一般

7、通过串接电阻实现), 不使其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电压(绝对值)降低时, PN结的性能就可以恢复正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的, 当流过PN结的电流变化时, 结电压基本保持不变。,PN结的电容特性,按电容的定义 即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。而结两端加上电压, 结内就有电荷的变化, 说明结具有电容效应。 PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容CD两部分组成。,势垒电容CB,势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。 当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容的充电。 当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，

8、犹如电容的放电。,耗尽层中存贮的电荷量随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CB表示。,W,W+W,扩散电容CD,扩散电容是PN结在正偏时, 多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。,PN结正向偏置时，N区和P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布。P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。正向电压加大时，扩散增强，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电；相反，当正向电压减小时，扩散减弱，造成两个区域内电荷的减少，这相当于电容器放电。,PN结上的总电容Cj结电容，是势垒电容与扩散电容之和。 即CjB 一般说来, P

9、N结正偏时, 扩散电容起主要作用, ；当PN结反偏时, 势垒电容起主要作用, 即B。,集成电路中的电容,集成电路中的电容,电容作为一种寄生器件，天生存在于任何结构的二极管和晶体管中。 器件中的电容效应决定了电路的高频行为。 最常用的FET器件，其工作机制就取决于电容效应。,类型,两种最常用的电容： PN结电容 MOS（金属-氧化物-半导体）电容,影响电容效应的因素,电容板的面积，极板面积越大，积累的电荷量就越多； 电介质的厚度，电介质越薄，电场越能有效的穿透； 电介质材料的内部结构所能允许电场的穿透程度，即电介质的电容率，或者称介电系数。,反偏PN结电容,注意,必须指出，用于隔离的反向偏置的P

10、N结必然会产生一个额外的寄生电容，在B端与V+之间，在用PN结设计电容的时候，这个寄生电容不能忽视，必须要考虑它的影响。,电容表达式,是耗尽层的平均宽度,电压与电容的依赖关系是PN结电容的一个额外的特点！,这种特性非常有用，它使得电容是可变化的，并且是可以电控的！,PN结的温度特性,PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。,具体变化规律是：,温度升高反向击穿电压降低,温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。,当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。 因此，为

11、了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。,PN结二极管,二极管,变容二极管 整流二极管 开关二极管 稳压二极管 发光二极管 隧道二极管 光电二极管 ,PN结二极管,符号记忆,二极管的正向导通是从P型指向N型，国际的标法是：三角形表示P型，横线是N型。二极管在0.7V以上的电压下电流可急剧移动，反向则无！ 也可以把三角形看做箭头，箭头所指的方向，就是传统的电流方向。,一个PN结，N型区接地，P型区加电压V，从P区流向N区的电流I可以表示为,正向偏压的接线方式,电压源的正极要经过一个限流电阻，再连接到二极管的阳极。 正向电流从阳极

12、流向阴极。 正向电压降VF是因为自建势垒的存在。,反向偏压的接线方式,电压源的负极经过线路连接到二极管的阳极。 电压源的正极接到二极管的阴极。 反向偏压通常不需要限流电阻，图中为了线路的一致性，仍然绘出。 反向电流可以忽略。 整个线路的偏压均消耗在二极管上。,理想的二极管模型,理想的二极管模型为一个简单的开关,对二极管加正向偏压，即为闭合的开关,对二极管加反向偏压，则为断路的开关,理想二极管的I-V曲线,理想的二极管模型，自建电势、正向动态阻抗、反向电流均忽略不计。 理想的二极管不会造成电压降：VF=0V 正向电流IF由所施加的偏压值和限流电阻决定，遵循欧姆定律：IF=VBIAS/RLIMIT

13、 反向电流忽略，假设为零，即IR=0A 反向电压等于所加偏压的电压值，VR=VBIAS,理想二极管的I-V曲线,如此简单的模型，什么时候适用呢？,理想二极管模型的用处,在进行故障检修时 寻找线路的工作状况时 当不需要考虑电压和电流的精确值时 用理想二极管模型 在反向偏压下，理想二极管可视为开路，而在正向偏压下，视为短路。,实际的二极管模型,实际的二极管模型是将自建电势加入理想的开关模型,实际的二极管模型,二极管处于正向偏压时，等于一个闭合的开关再串联一个很小的等效电压源，电压源的电压等于自建电势0.7V，并将电压源的正极接到二极管的阳极。 等效电压源代表二极管在正向偏压下，在PN结上产生的固定

14、电压降VF，并非主动电压源。,正向偏压,实际的二极管模型,处于反向偏压时，等于一个开路的开关，如同理想模型。 自建势垒并不会影响反向偏压，不予考虑。,反向偏压,实际二极管模型的I-V特性,考虑自建电势，但不考虑动态阻抗。 因此假设在正向偏压下，二极管本身即拥有电压降，即曲线向原点右方平移： VF=0.7V 正向电流可用基尔霍夫电压定律计算。 反向电流与电压同理想模型。,实际二极管模型的特性曲线,完整的二极管模型,动态阻抗,与线性阻抗不同，正向偏压下二极管的阻抗值在整个曲线上，并不是定值。 I-V曲线上的不同点，阻抗值随着曲线变化，因此称为动态阻抗，也称交流阻抗。 电子元件的内部阻抗通常是以斜体小写字母r，加上一撇表示，而不用标准的大写R表示。 如二极管的动态阻抗为,当二极管处于正偏时，可视为一个闭合的开关，再 串联一个等于自建电势的电压源和一个小的正向动 态阻抗。,当二极管处于反偏时，可视为一个开路的开关，再 并联一个大的内部反向电阻值。自建电势不影响反 向电压，可不予考虑。,完整的二极管模型,完整的二极管模型需要考虑自建电势和正向动态阻抗，因此在正向偏压下，假设二极管本身有电压降。 其中的正向电压VF是由自建电势加上动态阻抗上的小电压降组成。 原点右侧的曲线发生倾斜是因为当电流增加的时候，动态电阻上的压