版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、第六章 pn结,6.1 pn 结及其能带图 6.2 pn结电流电压特性 6.3 与理想情况的偏差*(了解,据统计:半导体器件主要有67种,另外 还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成: pn结 金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格,6.1 pn 结及其能带图,1 p-n 结的形成和杂质分布,在一块n型半导体单晶上,用适当的方法(扩散或离子注入)把p型杂质掺入其中,使其在不同的区域形成p型和n型,在二者的交界面处形成了pn结,6.1 pn 结及其能带图,pn结二极管的制备,冶金结的位置,杂质浓度随位置的变化曲线,6.1 pn 结及其能带图,理想化的杂质分布近似,突变结,线
2、性缓变结,杂质分布 xxj, N(x)=ND,x)=qax 0,6.1 pn 结及其能带图,2. pn 结的形成过程和电荷再分配,a)孤立的p型和n型区域 (b)pn结接触,p区空穴扩散到n区,在p 区边界剩下NA-;n区电子扩散到p区, 在n边界剩下ND+ (c) NA-,ND+形成内建电场,方向从np (d) 内电场的作用下,载流子漂移 (e) 扩散流=漂移流,总电流为0,达到热 平衡 (f)空间电荷区宽度一定,空间电荷的分布 达到稳定,3. pn结热平衡时的能带图,电场从n区指向p区,电势从n区到p区逐渐降低,电子的电势能增加,空间电荷区能带发生弯曲,正是空间电荷区中电势能变化的结果,6
3、.1 pn 结及其能带图,方法一,方法二,平衡pn结中的电势和电势能,6.1 pn 结及其能带图,4. pn结中电场、电势和电荷分布,内建电势Vbi:热平衡条件下的耗尽区电压称为内建电势,它是一个非常重要的结常数,6.1 pn 结及其能带图,势垒高度qVbi 势垒宽度xD=xn+xp,6.1 pn 结及其能带图,5.耗尽近似,耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似,包含两个含义: (1)在冶金结附近区域,-xpxxn,与净杂质浓度相比,载流子浓度可忽略不计 (2)耗尽区以外的电荷密度处处为0,6.1 pn 结及其能带图,6.2 pn结电流电压特性,将二极管电流和器件内部的工作机理,器件参数之间建立
4、定性和定量的关系。 6.2.1 定性推导: 分析过程,处理方法 6.2.2定量推导: 建立理想模型-写少子扩散方 程,边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。分析实际与理想公式的偏差,0偏,正偏,反偏,1.热平衡状态,6.2.1 定性推导,电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数高能量的电子能越过势垒到达P区,形成扩散流。 P区的电子到达n区不存在势垒,但是少子,少数电子一旦进入耗尽层,内建电场就将其扫进n区,形成漂移流。 热平衡:电子的扩散流=漂移流,空穴的情况与电子类似,2.加正偏电压,势垒高度降低,n型一侧有更多的电子越过势垒进入p区,p区一侧有相同数目的电子进
5、入耗尽层扫入n区,形成净电子扩散电流IN 同理可分析空穴形成扩散电流IP。 流过pn结的总电流I=IN+IP。 因为势垒高度随外加电压线性下降,而载流子浓度随能级指数变化,所以定性分析可得出正偏时流过pn结的电流随外加电压指数增加,6.2.1 定性推导,正偏时的能带/电路混合图,6.2.1 定性推导,3.反向偏置: 势垒高度变高,n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入p区,p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区,形成少子漂移流,同理n区的空穴漂移形成IP,因与少子相关,所以电流很小,又因为少子的漂移与势垒高度无关,所以反向电流与外加电压无关,6.2.1 定性推导,反偏时的能带/电路混合图,6.
6、2.1 定性推导,6.2.1 定性推导,pn结的I-V特性曲线,正向偏置下p-n结费米能级,反向偏置下p-n结费米能级,6.2.2 定量求解方案,理想p-n结,满足以下条件的p-n结 (1)二极管工作在稳态条件下 (2)杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n0 -xpxxn (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn (3)二极管是一维的,4)小注入条件:p区:npp0 n区:pnn0 (5) 忽略耗尽区内的产生与复合,即认为电子、空穴通过势垒区所需时间很短,来不及产生与复合,故通过 势垒区的电流为常数,6.2.1 定性推导,方法步骤: (1)扩散方程 (2)边界条件 (3)求解方程得到
7、少子分布函数表达式 (4)由少子分布函数求出流过pn结的电流,6.2.1 定性推导,6.2.1 定性推导,6.2.1 定性推导,由pn结定律得耗尽层的边界条件,P区,n区,6.2.1 定性推导,边界条件,欧姆接触边界条件,6.2.1 定性推导,6.2.3严格推导,n 区,p 区,6.2.3严格推导,正偏时的过剩少子浓度分布,6.2.3严格推导,6.2.4 结果分析,非对称结中,重掺杂一侧的影响较小,可忽略,6.2.4 结果分析,4)载流子电流,6.2.4 结果分析,4)载流子浓度,6.2.4 结果分析,0偏,正偏,反偏,讨论题:理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化,6.2.4 结果分析,例题
8、2,将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管上,且二极管n型和批p型区杂质浓度为NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性区内的多数和少数载流子浓度的log(p,n)与x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边界10倍和20倍扩散长度的位置,热平衡,耗尽层边界,小注入条件成立,少子在准中性区的分布,6.2.4 结果分析,6.3 与理想情况的偏差,击穿,Si pn结的I-V特性曲线,1。理想理论与实验的比较,耗尽层中载流子的复合和产生,理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结果符合较好, 与Si和GaAs p-n结的实验结果偏离较大。 实际p-n结的I-V特性:
9、(1)正向电流小时,实验值远大于理论计算值,曲线斜率q/2kT (2)正向电流较大时,理论计算值比实验值大(c段) (3)正向电流更大时,J-V关系不是指数关系,而是线性关系 (4)反向偏压时,实际反向电流比理论计算值大得多,而且 随反向电压的增加略有增加,6.3 与理想情况的偏差,2、反向偏置的击穿,当反向电流超过允许的最大值(如1mA或1A)时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR. 对于p+n和n+p突变结二极管中,击穿电压主要由轻掺杂一边的杂质浓度决定,6.3 与理想情况的偏差,P+n和n+p突变结,击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图,雪崩倍增是主要击穿过程,6.3 与理想情况
10、的偏差,雪崩击穿和齐纳击穿,小的反向电压时,载流子穿过耗尽层边加速边碰撞,但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格原子“电离”,即引起电子从价带跃迁到导带,从而产生电子空穴对,6.3 与理想情况的偏差,齐纳击穿,隧穿效应:量子力学中,当势垒比较薄时,粒子能穿过势垒到达另一边。 隧穿发生的两个条件: 1、势垒一边有填充态,另 一边同能级有未填充态 2、势垒宽度小于10-6cm,隧穿过程示意图,6.3 与理想情况的偏差,反向偏置pn结二极管中隧穿过程的示意图,6.3 与理想情况的偏差,二极管的耗尽层宽度小于10-6cm,轻掺杂一侧的杂质浓度高于1017cm,齐纳过程比较显著,对应的二极管的击穿
11、电压比较小,当VBR6Eg/q,齐纳过程对二极管的击穿电流有明显贡献,当VBR4Eg/q,齐纳过程起主导作用。 雪崩击穿电压随温度升高而增加 齐纳击穿占主导时,击穿电压随温度升高而减小,6.3 与理想情况的偏差,p-n结平衡时,势垒区复合中心的产生率等于复合率 (1)反向时,势垒区电场加强,耗尽层中载流子的浓度将会下降低于平衡值,导致耗尽层中电子-空穴的产生,复合中心产生的电子、空穴来不及复合就被强电场扫出势垒区,形成产生电流IG-R, 因此增大了反向电流 IG-R随反向电压增加而增加,总反向电流IR=Is+IG-R 势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽,所以势垒区产生的电流是不饱和的,随反向偏
12、压增加而缓慢地增加,3势垒区的产生与复合电流,6.3 与理想情况的偏差,2)在正向偏压时,耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值,导致耗尽区载流子的复合。而形成正向复合电流IG-R 总的正向电流密度IF= IR-G+IDIFF。 当V小时,IR-G占主要地位(a段);当V大时,扩散电流占主要地位(b 段) (3,与材料有关,与温度有关,4正向大注入效应,当正向偏压比较大时,注入的少子浓度可以相当大,以至 pn(xn) nn0 pp(-xp)pp0 接近或超过原多子浓度。 由于介电驰豫作用,要保持电中性,也有同样浓度的多子积累: pn(xn)= nn(xn) ; pp(-xp)= np(-xp) 注入的非平衡载流子向体内扩散,但由于电子和空穴的扩散系数不同,又破坏了电中性,在扩散区内产生自建电场,此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动,同时又加快扩散得慢的空穴的运动,从而使两者的浓度梯度基本保持一致,6.3 与理想情况的偏差,扩散区内的自建电场的形成,也就使扩散区 内存在一定的电压降Vp和Vn ,这一电压降实际上就使真正落在耗尽区的正向电压V减少为VJ=V-Vp-Vn,从而使正向电流比理想情况下电流小 注入越大,VJ减小得越厉害,其具体计算可得 IFexp(qV/2kT,6.3 与理想情况的偏差,在势垒区和
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 医用分析仪产业运行及前景预测报告
- 2024年氧化工艺证考试题库
- 内脏用人造组织产业运行及前景预测报告
- 四年级上册语文《欲速则不达》说课稿
- 电商企业办公物资整体解决方案
- 公共应急救护(安全与急救处理)学习通超星期末考试答案章节答案2024年
- 应用数学(2023级课程)学习通超星期末考试答案章节答案2024年
- 内外科疾病康复学学习通超星期末考试答案章节答案2024年
- 台球杆产业深度调研及未来发展现状趋势
- 城市供水系统PE管道施工方案
- 2024年广西安全员C证考试题库及答案
- 财政学-第16章-政府预算与预算管理体制
- 期末测试卷(试题)-2024-2025学年人教PEP版(2024)英语三年级上册
- 2024至2030年中国手机配件产业需求预测及发展趋势前瞻报告
- 时间介词in,on,at的区别 教学课件
- 强度计算.常用材料的强度特性:陶瓷材料:陶瓷材料的抗弯强度计算
- 形势与政策24秋-专题测验1-5-国开-参考资料
- 课题开题汇报(省级课题)
- 2024年宗教知识竞赛测试题库及答案(共100题)
- 清真食品安全管理制度
- 学校心理健康教育合作协议书
评论
0/150
提交评论