p-n结电流电压特性.ppt

第1页,2010年12月9日星期四,第六章、 pn结,本章在已知载流子分布以及电场和浓度梯度下载流子运动规律的前提下，讨论PN结电流电压特性、电容效应、击穿特性等。 目的：了解半导体器件最基础单元具有的特性。,第2页,2010年12月9日星期四,主要内容：,1 、热平衡条件下的p-n结 p-n结定义及形成 p-n结的空间电荷区及自建电场 p-n结的能带图 空间电荷区中的电场、电位分布 p-n结接触电势差 p-n结载流子分布,第3页,2010年12月9日星期四,主要内容：,2、p-n结直流电压特性 非平衡状态下的p-n结 理想p-n结电流电压方程 影响p-n结电流电压特性偏离理想电流电压方程的因素,第4页,2010年12月9日星期四,3、p-n结电容 势垒电容、扩散电容 4、p-n结击穿 5、p-n结隧道效应,第5页,2010年12月9日星期四,10、（1）写出理想PN结的I-V特性，即电流密度J与电压V的关系方程。分别在直角线性坐标系和半对数坐标系中，示意画出PN结电流电压特性曲线。 (2) 在半对数坐标系中的曲线上，如何将正向小电压下势垒区复合电流和反向电压下势垒区产生电流产生的作用反映在曲线上？简单解释之。 (3）如果PN结电流中，同时考虑扩散电流和复合电流时，即采用理想因子m，写出含有理想因子m的J-V特性方程，并描述一种测量m的实验方法。 (4) 分别分析PN结加正向偏置和反向偏置，对PN结边界处少子浓度的改变，以此论述，PN结具有正向导通和反向饱和特性。 （2008）（32分）,第6页,2010年12月9日星期四,8、写出n型样品中，小注入条件下，少子空穴的连续性方程。写出空穴不随时间变化时（稳态）、不考虑电场、无光照情况下，少子空穴的方程。（2008） 10、（16分）对于一个PN结二极管，论述如何判断加正向电压后，其电流是以扩散电流为主还是以空间电荷区复合电流为主？（2007）,第7页,2010年12月9日星期四,11、（20分）PN结的N型一侧掺杂浓度为ND，P型一侧掺杂浓度为NA，采用杂质饱和电离近似，证明PN结的接触电势差为： ni是本征载流子浓度 另有一N+N结，掺杂浓度分别为N+，N，证明此时N+N结的接触电势差为： 比较两者的大小，并解释其内在的物理机理。 （2007）,第8页,2010年12月9日星期四,10、（24分）一个硅PN结（T=300K），P区的掺杂浓度为NA1x1015cm-3，N区的掺杂浓度ND3 NA，使用杂质全部电离和载流子全部耗尽假设， (1) 计算室温下PN结的接触电势差VD； (2) 定性画出PN结的电场分布、电荷分布。 (3) 若温度T增加、材料的禁带宽度Eg增加，VD将分别如何变化？ (4) 若此结构是N+-N结，即N+区一侧ND+=3 NA，N区一侧ND= NA，计算此时的VD。（2006）,第9页,2010年12月9日星期四,14、写出理想PN结的J-V特性关系公式（肖克莱方程）。并在半对数坐标下（X轴为V，Y轴为ln（J/J0），定性画出该曲线。若此PN结为实际的PN结，应做哪些改动？为什么？（2006）,第10页,2010年12月9日星期四, 6.1 热平衡条件下的p-n结,1 、热平衡条件下的p-n结 1） p-n结定义及形成 p-n结：利用合金法、扩散法、离子注入法等，往某一类型半导体的局部区域掺入不同类型的杂质，使不同区域分别有不同类型的杂质，形成不同类型半导体的“接触”，即为p-n结。 同一晶格结构中，掺杂不同,第11页,2010年12月9日星期四,2）杂质分布 突变结：杂质浓度由n（p）型突变到 p (n) 型 缓变结：杂质浓度由n（p）型缓慢变化到 p (n) 型,第12页,2010年12月9日星期四,2、p-n结的空间电荷区及自建电场,第13页,2010年12月9日星期四,第14页,2010年12月9日星期四,3、 p-n结的能带图,第15页,2010年12月9日星期四,热平衡下PN结的特点 1. P区、N区具有统一的费米能级，EFp= EFn。 2. 有稳定的空间电荷区，其内正负电荷总量相等，使得电场被屏蔽；在空间电荷区以外，电场为零，仍然保持电中性：NA xTP=ND xTn 3. 由于自建电场的存在，在空间电荷区中，能带发生弯曲.在pn结两端存在着一个势垒，其高度为接触电势差VD，,第16页,2010年12月9日星期四,证明：热平衡下的PN结有统一的费米能级。 流过pn结的总电子电流密度Jn，应等于电子的漂移电流密度和扩散电流密度之和，Jn=nqn|E|+qDndn/dx Dnk0Tn /q,第17页,2010年12月9日星期四,4、空间电荷区中的电场、电位分布（第三节电容） 5、p-n结接触电势差 由突变平衡p-n结的能带图，势垒高度qVD补偿了p区与n区的费米能级之差,第18页,2010年12月9日星期四,n区与p区的平衡电子浓度分别为： 结接触电势差与掺杂浓度、温度、禁带宽度等有关,第19页,2010年12月9日星期四,6、 p-n结载流子分布,第20页,2010年12月9日星期四,问题：掺杂ND，势垒区电势比Ecn高0.1eV处电子的浓度？,第21页,2010年12月9日星期四,讨论：在热平衡pn结的空间电荷区中，虽然电子和空穴的分布都是x的函数，但二者的乘积仍为ni2，是不随x变化的。,第22页,2010年12月9日星期四,热平衡下载流子浓度与电位能的关系,即：同一种载流子，如果在空间两点其电位能的差为E，则其在此两点的浓度差相差exp(- E/kT) 倍，电位能越高浓度越低。,为什么空间电荷区电阻大，近似耗尽区？,第23页,2010年12月9日星期四,这是波尔兹曼近似的一个直接推论 PN结接触电势差,以电子为例：空间电荷区两点x1、x2，其电位分别为V(x1)、V(x2)根据前面得到的空间电荷区中的载流子分布规律有：,第24页,2010年12月9日星期四,外加电压落在耗尽区？,第25页,2010年12月9日星期四,外加电压，产生净扩散流！,第26页,2010年12月9日星期四,第27页,2010年12月9日星期四,第28页,2010年12月9日星期四,第29页,2010年12月9日星期四,第30页,2010年12月9日星期四,反向电压不随电压增大而变化？,第31页,2010年12月9日星期四,三、外加电压下的能带图 此时，pn结分为： P型电中性区，电子扩散区，势垒区，空穴扩散区，n型中性区。 电子和空穴的准费米能级分开，不再有统一的费米能级。,第32页,2010年12月9日星期四,四、理想pn结模型及其电流电压方程式 理想pn结模型： 1、小注入条件 2、突变耗尽层条件 3、通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合。 4、波尔兹曼边界条件。 问题：如何计算？ 计算电流的方法： 1、计算非平衡载流子浓度，作为边界条件。 2、求解非平衡载流子的扩散方程，得到扩散区内非平衡少数载流子的分布。 3、求出扩散电流密度。 4、得到总电流密度方程。,第33页,2010年12月9日星期四,第34页,2010年12月9日星期四,在小注入下，p(xTN) 、n(-xTP)较小，(xTN) 、 (-xTP)很小，使得电流中的漂移项远小于扩散项之值，相比之下，漂移流可以忽略，于是： 求载流子的分布，需要从连续性方程和流密度方程入手 先求pp处的非平衡少数载流子浓度,第35页,2010年12月9日星期四,第36页,2010年12月9日星期四,空穴的连续性方程： 连续性方程变为：,第37页,2010年12月9日星期四,在 p区边界pp处，xxp，EFn EFp =qV,所以，,第38页,2010年12月9日星期四,正向偏置：V一定，势垒区边界处非平衡少数载流子浓度一定，对扩散区形成了稳定的边界浓度，非平衡少子按e指数衰减。 反向偏置时，q|V|kT, Exp(qV/kT)0 pn(x)-p0n,pn(x)=0.,第39页,2010年12月9日星期四,小注入时，势垒区中不存在电场，x=xn时，空穴扩散电流密度为 忽略漂移电流，总电流等于两边界处的少子扩散电流之和,第40页,2010年12月9日星期四,理想pn结模型的电流