半导体物理_第八章

1、 第八章第八章 PN结与肖特基结二极管结与肖特基结二极管本章学习要点：本章学习要点：1.1.推导并掌握理想推导并掌握理想PNPN结二极管的电流电压特结二极管的电流电压特 性特性方程；性特性方程；2.2.掌握理想肖特基二极管的电流电压特性方程掌握理想肖特基二极管的电流电压特性方程3.3.建立并掌握建立并掌握PNPN结二极管的小信号等效电路模型结二极管的小信号等效电路模型4.4.学会分析学会分析PNPN结二极管空间电荷区中的产生与结二极管空间电荷区中的产生与 复合电流；复合电流；5.5.掌握掌握PNPN结二极管的击穿特性；结二极管的击穿特性；6.6.了解了解PNPN结二极管的开关特性。结二极管的开

2、关特性。8.2 PN8.2 PN结理想电流电压特性结理想电流电压特性 推导理想推导理想PNPN结电流电压特性方程的四个基结电流电压特性方程的四个基本假设条件：本假设条件：（1 1）PNPN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近结为突变结，可以采用理想的耗尽层近 似，耗尽区以外为中性区；似，耗尽区以外为中性区；（2 2）载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似）载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似（3 3）满足小注入的条件；）满足小注入的条件；（4 4）通过）通过PNPN结的总电流是一个恒定的常数；电结的总电流是一个恒定的常数；电 子电流和空穴电流在子电流和空穴电流在PNPN结中各处是一个连结中各处是一个连

3、 续函数；电子电流和空穴电流在续函数；电子电流和空穴电流在PNPN结耗尽结耗尽 区中各处保持为恒定常数。区中各处保持为恒定常数。推导理想推导理想PN结电流电压特性时所用到的各种符号结电流电压特性时所用到的各种符号 当外加正向偏压当外加正向偏压V Va a时，此电压主要降落在时，此电压主要降落在势垒区上，势垒区上，PNPN结内建电场减弱。此时扩散电流结内建电场减弱。此时扩散电流与漂移电流之间的平衡被打破，与漂移电流之间的平衡被打破，扩散电流为主扩散电流为主，形成少数载流子注入。形成少数载流子注入。 当外加正向偏置电压时，当外加正向偏置电压时，PNPN结中的势垒将结中的势垒将会降低，这时空穴就会从

4、会降低，这时空穴就会从P P型区扩散至型区扩散至N N型区，型区，成为成为N N型区中的过剩少数载流子，同样电子也型区中的过剩少数载流子，同样电子也会从会从N N型区扩散至型区扩散至P P型区，成为型区，成为P P型区中的过剩型区中的过剩少数载流子。少数载流子。 这些过剩少数载流子的漂移、扩散和复合这些过剩少数载流子的漂移、扩散和复合过程依然满足上一章中我们讨论过的双极输过程依然满足上一章中我们讨论过的双极输运方程。运方程。1. 1. 边界条件：边界条件：下图为热平衡状态下下图为热平衡状态下PNPN结的导带示意图，由结的导带示意图，由PNPN结内建势垒公式可得：结内建势垒公式可得： 下图为下图

5、为PNPN结正偏时的能带图，结正偏时的能带图，PNPN结中的势垒结中的势垒由由V Vbibi变为（变为（V Vbi bi V Va a），和零偏时类似可得：），和零偏时类似可得： 在正偏条件下，在正偏条件下，PNPN结内部势垒降低，出现少数结内部势垒降低，出现少数载流子电子的注入，载流子电子的注入，P P型区中的少数载流子电子型区中的少数载流子电子的浓度高于热平衡时的浓度。的浓度高于热平衡时的浓度。注入到注入到P P型区中的型区中的电子还会进一步扩散和复合，因此上式给出的实电子还会进一步扩散和复合，因此上式给出的实际上是际上是P P型区中耗尽区边界处型区中耗尽区边界处-x-xp p的电子浓度。

6、的电子浓度。 类似地，在正偏条件下，类似地，在正偏条件下，N N型区中少子空穴的型区中少子空穴的浓度为：浓度为：在小注入条件下，则有：在小注入条件下，则有： 注入到注入到N N型区中的空穴也会进一步扩散和复型区中的空穴也会进一步扩散和复合，合，因此上式给出的实际上也是因此上式给出的实际上也是N N型区中位于耗型区中位于耗尽区边界处尽区边界处x xn n的空穴浓度。的空穴浓度。 另外，上述边界条件虽然是根据另外，上述边界条件虽然是根据PNPN结正偏条结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是完全适用的。件导出的，但是对于反偏情况也是完全适用的。而且当反偏电压足够高时，耗尽区边界处的少而且当反偏电压足

7、够高时，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。数载流子浓度基本为零。少子注入少子注入少子抽取少子抽取2. 2. 少数载流子分布：少数载流子分布： 对于对于N N型区型区中的过剩少数载流子空穴来说，中的过剩少数载流子空穴来说，其双极输运方程为：其双极输运方程为： 假设假设中性中性N N型区和型区和P P型区中的电场为零，过型区中的电场为零，过剩载流子的产生率为零，对于稳态情形，有：剩载流子的产生率为零，对于稳态情形，有： 在上述两个方程中，第一项代表扩散过程，在上述两个方程中，第一项代表扩散过程，第二项代表复合过程，因此在第二项代表复合过程，因此在PNPN结两侧的结两侧的N N型区型区和和P P

8、型区中，过剩载流子既有扩散，也有复合。型区中，过剩载流子既有扩散，也有复合。因此上述两个双极输运方程的解为：因此上述两个双极输运方程的解为： 在正偏状态下，在正偏状态下，PNPN结两侧总的少数载流子结两侧总的少数载流子浓度的边界条件为：浓度的边界条件为： 随着少子由空间电荷区边界向中性半导体区随着少子由空间电荷区边界向中性半导体区域扩散，它们还将不断地与多子复合域扩散，它们还将不断地与多子复合. 假设假设PNPN结两侧中性区宽度足够宽，即结两侧中性区宽度足够宽，即W Wn nLLp p，W Wp pLLn n，此即所谓的长二极管，此即所谓的长二极管，在离开空间电荷，在离开空间电荷区足够远处，过

9、剩少子浓度将趋于零区足够远处，过剩少子浓度将趋于零. . 应用上述边界条件可求得上式中的系数应用上述边界条件可求得上式中的系数A、B、C、D（其中（其中AD0），由此得到方程），由此得到方程的解为：的解为：3.3.理想理想PNPN结电流结电流 按照理想按照理想PNPN结的第四个假设条件，正偏条结的第四个假设条件，正偏条件下流过件下流过PNPN结的总电流可以表示为电子电流和结的总电流可以表示为电子电流和空穴电流两部分之和。空穴电流两部分之和。 类似地，可以计算出耗尽区靠近类似地，可以计算出耗尽区靠近P型区一侧边型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：界处电子的扩散电流密度为： 在在PN结正偏条件下，

10、上述空穴电流，电子电结正偏条件下，上述空穴电流，电子电流密度都是沿着流密度都是沿着x轴正方向的。轴正方向的。若假设电子电流若假设电子电流和空穴电流在通过和空穴电流在通过PN结耗尽区时保持不变，结耗尽区时保持不变，则则流过流过PN结的总电流为：结的总电流为： 上式即为理想上式即为理想PNPN结二极管的电流电压方结二极管的电流电压方程，尽管上式是根据程，尽管上式是根据PNPN结正偏特性导出的，但结正偏特性导出的，但是它同样也适用于是它同样也适用于PNPN结的反偏状态，反向饱和结的反偏状态，反向饱和电流密度即为电流密度即为J JS S 。当当PN结正偏电压远大于结正偏电压远大于Vt时，上述电流电压时

11、，上述电流电压特性方程中的特性方程中的1项就可以忽略不计。项就可以忽略不计。PN结二结二极管的极管的IV特性及其电路符号如下图所示。特性及其电路符号如下图所示。4. 物理意义总结：物理意义总结： PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为： 可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PN结的结的总电流不变，总电流不变，因此二者之差就是多子的漂移电流。因此二者之差就是多子的漂移电流。以以N型区中的电子电流为例，它不仅提供向型区中的电子电流为例，它不仅提供向P型区中扩散的型区中扩散的少子电子电流，还提供与少子电子电流，还提供与P型区中注入过

12、来的过剩少子型区中注入过来的过剩少子空穴相复合的电子电流空穴相复合的电子电流在流过在流过PN结的正向电流中，电子电流与空穴电结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。流的相互转换情况如下页图所示。5. 温度效应：温度效应： 理想理想PN结二极管的反向饱和电流密度结二极管的反向饱和电流密度JS是是热平衡条件下少子浓度热平衡条件下少子浓度np0和和pn0的函数：的函数： 而而n np0p0和和p pn0n0都与都与n ni i2 2成正比，由此可见反向饱成正比，由此可见反向饱和电流密度和电流密度J JS S是温度的敏感函数，忽略扩散系数是温度的敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖

13、关系，则有：与温度的依赖关系，则有： 可见，在室温下，只要温度升高10C，反向饱和电流密度增大的倍数将为：温度效应对温度效应对PNPN结二极管正、反向结二极管正、反向I IV V特性的影特性的影响如下图所示。可见，温度升高，一方面二极响如下图所示。可见，温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向导通电压下降。导通电压下降。6. 6. 短二极管效应：短二极管效应： 在前面的分析中，我们假设理想在前面的分析中，我们假设理想PNPN结二极结二极管管N N型区和型区和P P型区的长度远大于少子的扩散长度。型区的长度远大于少子的扩散长度。实际实际

14、PNPN结中往往有一侧的长度小于扩散长度，结中往往有一侧的长度小于扩散长度，如下图所示，如下图所示，N N型区的长度型区的长度W Wn nLLp p。其在其在x=xx=xn n处的边界条件仍然为：处的边界条件仍然为： 而另一个边界条件则需要做适当的修正，而另一个边界条件则需要做适当的修正，通常我们假设在通常我们假设在x=xx=xn n+W+Wn n处处为欧姆接触，即表面为欧姆接触，即表面复合速度为无穷大，因此过剩载流子浓度为零。复合速度为无穷大，因此过剩载流子浓度为零。由此得到另一个边界条件为：由此得到另一个边界条件为： 对于对于N N型区中过剩空穴的稳态输运方程，其型区中过剩空穴的稳态输运方

15、程，其解的形式仍然为：解的形式仍然为： 再利用上述两个边界条件，可得稳态输运再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：方程最终的解为： 对于对于W Wn nLLp p的条件，还可以对上式做进一步的条件，还可以对上式做进一步的简化，因为此时有：的简化，因为此时有：由上式可见此时短由上式可见此时短N型区中过剩少子空穴的浓型区中过剩少子空穴的浓度呈线性分布。度呈线性分布。N型区中少子空穴的扩散电流型区中少子空穴的扩散电流密度为密度为因此在短因此在短N型区中，少子空穴的扩散电流密度为：型区中，少子空穴的扩散电流密度为：稳态输运方程最终的解为：稳态输运方程最终的解为： 由此可见，由此可见，在短

16、在短N N型区中，少子空穴的扩散型区中，少子空穴的扩散电流密度保持不变，即在短电流密度保持不变，即在短N N型区中少子空穴的型区中少子空穴的复合作用基本上可以忽略不计。复合作用基本上可以忽略不计。7. 7. 本节内容小结本节内容小结 对于三种可能的对于三种可能的N N型区长度，下表总结了三型区长度，下表总结了三种情况下的空穴电流密度表达式，与此类似，种情况下的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的对于不同的P P型区长度，同样可以给出三种情况型区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。下的电子电流密度表达式。9.3 9.3 肖特基势垒结：理想的肖特基势垒结：理想的I IV V特性特

17、性在第九章中我们同样也已经介绍过了肖特基在第九章中我们同样也已经介绍过了肖特基结的基本概念，这里我们再进一步讨论其结的基本概念，这里我们再进一步讨论其I IV V特性。特性。cE 肖特基二极管：肖特基二极管： 金属和金属和N N型半导体相接触，其电流输运机理型半导体相接触，其电流输运机理 为多子电子越过势垒的发射过程，可采用为多子电子越过势垒的发射过程，可采用热电子热电子 发射理论发射理论来描述来描述 电子由半导体流向金属的电流密度可表示为：电子由半导体流向金属的电流密度可表示为： 其中其中E Ec c是热电子发射至金属所需的最小能量，是热电子发射至金属所需的最小能量，v vx x是载流子的速

18、度是载流子的速度,g,gc c(E)(E)为导带的态密度为导带的态密度 假设仍然满足麦克斯韦玻尔兹曼近似条假设仍然满足麦克斯韦玻尔兹曼近似条件，则有：件，则有：假设半导体材料中电子的能量高于假设半导体材料中电子的能量高于E Ec c部分均为部分均为电子的动能，则有：电子的动能，则有：代入积分得：代入积分得：称为热电子发射过程的称为热电子发射过程的有效理查逊常数有效理查逊常数。正偏条件下金属正偏条件下金属半导体之间形成肖半导体之间形成肖特基结的能带图及特基结的能带图及其电路符号其电路符号 流过肖特基结的总电流可表示为电子由半流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金属所引起的电流导体流入金属

19、所引起的电流Js m与电子由金属与电子由金属流入半导体所引起的电流流入半导体所引起的电流Jm s之差，即：之差，即：由热平衡总电流为零（且该电流不随外加电压的由热平衡总电流为零（且该电流不随外加电压的变化而变化）知：变化而变化）知：上述电流的正方向定义为由金属流向半导体方上述电流的正方向定义为由金属流向半导体方向，因此可得：向，因此可得：上述电流方程也可以表示为通常的二极管电流上述电流方程也可以表示为通常的二极管电流方程形式，即：方程形式，即： 称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中式中BnBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度通常即为理想情况下的肖特

20、基势垒高度B0B0，对于硅材料来说，有效理查逊常数为，对于硅材料来说，有效理查逊常数为A A* *=120A/cm=120A/cm2 2K K2 2，对于砷化镓材料来说，则为，对于砷化镓材料来说，则为A A* *=1.12A/cm=1.12A/cm2 2K K2 2。 2. 2. 肖特基二极管与肖特基二极管与PNPN结二极管的对比：结二极管的对比： 肖特基结二极管的特性与肖特基结二极管的特性与PNPN结二极管的特结二极管的特性主要存在两点区别：性主要存在两点区别：一是二者的反向饱和电一是二者的反向饱和电流存在很大差别，肖特基结二极管的流存在很大差别，肖特基结二极管的J JsTsT一般情一般情况

21、下要远远大于况下要远远大于PNPN结二极管的结二极管的J JS S，通常二者相，通常二者相差几个数量级以上差几个数量级以上（例（例9.59.5六个数量级）六个数量级）；二；二是肖特基结二极管的开关特性要比是肖特基结二极管的开关特性要比PNPN结二极管结二极管的开关特性快得多的开关特性快得多（多子器件（多子器件, ,不存在少子的不存在少子的存储效应）。存储效应）。 由于肖特基结二极管的由于肖特基结二极管的J JsTsT远远大于远远大于PNPN结结二极管的二极管的J JS S，因此肖特基结二极管正向电流，因此肖特基结二极管正向电流随正向电压的增长速度要远远超过随正向电压的增长速度要远远超过PNPN

22、结二极结二极管正向电流随正向电压的增长速度，在管正向电流随正向电压的增长速度，在I IV V特性曲线上表现出的就是特性曲线上表现出的就是肖特基结二极管的肖特基结二极管的正向导通电压比较小。正向导通电压比较小。 从左边所示从左边所示的的I IV V特性曲特性曲线图中可见，线图中可见，肖特基结二极肖特基结二极管的正向导通管的正向导通电压一般为电压一般为0.3V0.3V左右，而左右，而PNPN结二极管的结二极管的正向导通电压正向导通电压则为则为0.6V0.6V左右。左右。8.4 PN8.4 PN结的小信号模型结的小信号模型 以上是以上是PNPN结二极管的直流特性，在实际应用中结二极管的直流特性，在实

23、际应用中更关心的是更关心的是PNPN结二极管的小信号等效电路模型结二极管的小信号等效电路模型1. 1. 扩散电阻：扩散电阻：二极管的电流可表示为：二极管的电流可表示为： 在某个静态工作点在某个静态工作点Q Q附近，附近，其微分电导可表示为其微分电导可表示为其倒数为二极管在静态工作点附近的微分电阻：其倒数为二极管在静态工作点附近的微分电阻：如果二极管外加的正向偏置电压足够大，则电流如果二极管外加的正向偏置电压足够大，则电流方程中的方程中的( (1)1)项可以忽略，因此其微分电导为：项可以忽略，因此其微分电导为：相应地其小信号的微分电阻为：相应地其小信号的微分电阻为：上述小信号微分电阻也称为二极管

24、的上述小信号微分电阻也称为二极管的扩散电阻。扩散电阻。2.2.扩散电容：扩散电容： 前面介绍过反偏状态下前面介绍过反偏状态下PNPN结耗尽电容，结耗尽电容，当当PNPN处于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效处于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效应。应。 当一个当一个PNPN结正偏在直流电压结正偏在直流电压V Vdcdc上，同时又上，同时又叠加了一个正弦交流电压叠加了一个正弦交流电压v v，因此总的正向偏置，因此总的正向偏置电压可以表示为：电压可以表示为： 以空穴由以空穴由P P型区注入型区注入N N型区为例，在型区为例，在t t0 0、t t1 1、t t2 2三个时刻，三个时刻，N N型

25、区一侧空间电荷区边界处少子型区一侧空间电荷区边界处少子空穴的浓度分别如下图所示。由图中可见，空空穴的浓度分别如下图所示。由图中可见，空间电荷区边界处少子空穴的浓度也在直流稳态间电荷区边界处少子空穴的浓度也在直流稳态的基础上叠加了一个随时间变化的交流分量。的基础上叠加了一个随时间变化的交流分量。 假设交流电压信号的周期远大于过剩载流假设交流电压信号的周期远大于过剩载流子往子往N N型区中扩散所需的时间型区中扩散所需的时间，因此空穴浓度，因此空穴浓度在在N N型区中随空间位置的分布可以近似为一种型区中随空间位置的分布可以近似为一种稳态分布，如下图所示。稳态分布，如下图所示。图中阴影区的面积则图中阴

26、影区的面积则代表由于交流信号的代表由于交流信号的周期性变化而引起的周期性变化而引起的充放电电荷。充放电电荷。 对于电子由对于电子由N N型区注入到型区注入到P P型区中之后，过剩型区中之后，过剩少子电子在少子电子在P P型区中的分布也表现出完全类似的型区中的分布也表现出完全类似的情形。这种情形。这种空穴分布在空穴分布在N N型区中的起伏（充放电）型区中的起伏（充放电）过程以及电子分布在过程以及电子分布在P P型区中的起伏（充放电）型区中的起伏（充放电）过程将导致电容效应，该电容称为过程将导致电容效应，该电容称为PNPN结的扩散结的扩散电容。电容。 正偏正偏PNPN结的扩散电容通常要远远大于结的

27、扩散电容通常要远远大于PNPN结的结的耗尽耗尽( (势垒势垒) )电容。电容。3.3.小信号导纳小信号导纳: : PN PN结二极管的小信号导纳为：结二极管的小信号导纳为： 上式中上式中I Ip0p0和和I In0n0分别是二极管中空穴电流和分别是二极管中空穴电流和电子电流电子电流直流分量直流分量， I IDQDQ为二极管的直流偏置电为二极管的直流偏置电流。流。p0p0和和n0n0分别是过剩少子空穴和过剩少子分别是过剩少子空穴和过剩少子电子的寿命。电子的寿命。在正偏电流比较大的条件下，在正偏电流比较大的条件下，PN结二极管的扩结二极管的扩散电容往往起主要作用，而扩散电阻则通常比散电容往往起主要

28、作用，而扩散电阻则通常比较小。较小。4. 4. 小信号等效电路模型小信号等效电路模型 PNPN结二极管的小信号等效电路模型可以根结二极管的小信号等效电路模型可以根据其正偏条件下的小信号导纳公式得到：据其正偏条件下的小信号导纳公式得到：由上式得出的等效电路如下图所示由上式得出的等效电路如下图所示: : 在此基础上，在此基础上，我们还需加上耗尽层电容的我们还需加上耗尽层电容的影响，该电容是与扩散电容和扩散电阻相并影响，该电容是与扩散电容和扩散电阻相并联的。联的。 另外，我们还必须考虑另外，我们还必须考虑PNPN结两侧中性结两侧中性N N型型区和中性区和中性P P型区寄生串联电阻的影响。型区寄生串联

29、电阻的影响。设设PNPN结二极管两端外加电压为结二极管两端外加电压为V Vappapp，真正降落在，真正降落在PNPN结耗尽区两侧的电压为结耗尽区两侧的电压为V Va a，则有，则有一个实际一个实际PNPN结二极管在正偏状态下的结二极管在正偏状态下的I IV V特性特性寄生串联电阻的影响在寄生串联电阻的影响在正常情况下可以忽略不正常情况下可以忽略不计，但是计，但是当外加正向偏当外加正向偏置电压比较大使得正偏置电压比较大使得正偏PN结电流也比较大时，结电流也比较大时，寄生串联电阻的影响就寄生串联电阻的影响就变得十分明显了，这样变得十分明显了，这样就使得就使得PN结二极管的特结二极管的特性与正常的

30、指数关系有性与正常的指数关系有很大偏离。很大偏离。8.5 8.5 产生复合电流产生复合电流 在前面推导理想在前面推导理想PNPN结结I IV V特性的过程中，特性的过程中，完全忽略了载流子在完全忽略了载流子在PNPN结空间电荷区中可能发结空间电荷区中可能发生的产生复合现象。在实际生的产生复合现象。在实际PNPN结空间电荷区结空间电荷区中，载流子的产生复合现象由中，载流子的产生复合现象由SRH(SRH(肖克莱肖克莱里德霍尔里德霍尔) )复合理论（复合理论（通过复合中心复合理通过复合中心复合理论论）给出，即：）给出，即：P156 其中其中n n和和p p分别是电子和空穴的浓度，分别是电子和空穴的浓

31、度， 分别为电子，空穴俘获截面比例常数，分别为电子，空穴俘获截面比例常数，N Nt t为陷为陷阱中心的总浓度。阱中心的总浓度。pnCC ,)(exp)(expkTEENpkTEENnvtvtcc1. 1. 反偏反偏PNPN结中的产生电流：结中的产生电流： 当当PNPN结处于反偏状态时，空间电荷区中结处于反偏状态时，空间电荷区中可可动载流子动载流子基本上处于耗尽状态，即基本上处于耗尽状态，即np0np0，因，因此上述复合率公式变为：此上述复合率公式变为： 上式中的负号意味着在反向偏置的上式中的负号意味着在反向偏置的PNPN结耗尽结耗尽区中实际上存在着电子空穴对的净产生。区中实际上存在着电子空穴对

32、的净产生。 我们知道，过剩电子和过剩空穴的复合过我们知道，过剩电子和过剩空穴的复合过程实际上是一个恢复到热平衡状态的过程，程实际上是一个恢复到热平衡状态的过程，而而反偏反偏PNPN结耗尽区中电子和空穴的浓度基本为零，结耗尽区中电子和空穴的浓度基本为零，因此其中电子空穴对的净产生实际上也是一因此其中电子空穴对的净产生实际上也是一个恢复到热平衡状态的过程。个恢复到热平衡状态的过程。这个产生过程如这个产生过程如下页图所示。下页图所示。反偏反偏PN结耗尽区中电子空穴对的净产生过程结耗尽区中电子空穴对的净产生过程 在反偏在反偏PN结耗结耗尽区中产生的电尽区中产生的电子空穴对将被子空穴对将被电场拉向两侧，

33、电场拉向两侧，形成形成PN结反向产结反向产生电流。生电流。这个反这个反偏产生电流将构偏产生电流将构成成PN结反向饱结反向饱和电流的一部分和电流的一部分(理想反向饱和电理想反向饱和电流仅仅是扩散电流仅仅是扩散电流）流） 可以计算反偏可以计算反偏PNPN结中的产生电流密度，结中的产生电流密度，假设假设复合中心能级位于禁带中心附近复合中心能级位于禁带中心附近，则有：，则有：上式中负号意味着实际反偏上式中负号意味着实际反偏PN结耗尽区中存在结耗尽区中存在着净的产生率，因此产生电流密度为：着净的产生率，因此产生电流密度为：上式中积分对整个空间电荷区进行，上式中积分对整个空间电荷区进行，如果产生率如果产生

34、率在整个空间电荷区中保持为常数在整个空间电荷区中保持为常数，则有：，则有： 上式中，理想的反向饱和电流密度与上式中，理想的反向饱和电流密度与PNPN结反结反偏电压关系不大，偏电压关系不大，而反偏产生电流密度则与耗而反偏产生电流密度则与耗尽区的宽度尽区的宽度W W有关，这是与反偏电压有关的，因有关，这是与反偏电压有关的，因此实际此实际PNPN结总的反偏电流密度则是与反偏电压结总的反偏电流密度则是与反偏电压有关的。有关的。总的总的PN结反向偏置电流密度为理想的反向饱和结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏产生电流密度之和，即：电流密度与反偏产生电流密度之和，即：2. 2. 正偏正偏PNP

35、N结中的复合电流：结中的复合电流： 在反偏在反偏PNPN结的耗尽区中，电子和空穴的浓结的耗尽区中，电子和空穴的浓度基本为零，而在正偏度基本为零，而在正偏PNPN结中，结中，电子和空穴要电子和空穴要通过空间电荷区实现少子注入，因此在空间电通过空间电荷区实现少子注入，因此在空间电荷区中会存在一定的过剩电子和过剩空穴，这荷区中会存在一定的过剩电子和过剩空穴，这些过剩电子和过剩空穴之间就会发生复合，形些过剩电子和过剩空穴之间就会发生复合，形成耗尽区复合电流。成耗尽区复合电流。按照电子和空穴的复合率按照电子和空穴的复合率公式：公式： 将上式分子和分母同时除以将上式分子和分母同时除以C Cn nC Cp

36、pN Nt t，并利用过，并利用过剩载流子寿命的定义，可得：剩载流子寿命的定义，可得： 下页图所示为一个正偏下页图所示为一个正偏PNPN结的能带图，有：结的能带图，有：其中其中E EFnFn和和E EFpFp分别是电子和空穴的准费米能级。分别是电子和空穴的准费米能级。正偏条件下正偏条件下PNPN结的能带示意图结的能带示意图由此可见在正偏由此可见在正偏PNPN结空间电荷区中有：结空间电荷区中有：正偏正偏PNPN结空间电荷区存在净的载流子复合，复结空间电荷区存在净的载流子复合，复合电流密度为：合电流密度为：3. 3. 总的总的PNPN结正偏电流：结正偏电流：PNPN结中总的正偏电流密度应该是空间电

37、荷区复结中总的正偏电流密度应该是空间电荷区复合电流密度与理想的扩散电流密度之和，即：合电流密度与理想的扩散电流密度之和，即：如图所示为少子空穴在中性如图所示为少子空穴在中性N N型区中的分布型区中的分布 当空间电荷区中当空间电荷区中存在载流子复合时，存在载流子复合时，由由P P型区中注入过来型区中注入过来的空穴数目的空穴数目必须增加必须增加，这样才能维持中性这样才能维持中性N N型区中少子空穴的浓型区中少子空穴的浓度分布。度分布。将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示 由此图中可由此图中可见，见，在小电流区在小电流区域，正偏域，正偏PNPN结中结中以空间电荷区

38、复以空间电荷区复合电流为主，而合电流为主，而在大电流区域，在大电流区域，则以理想则以理想PNPN结的结的扩散电流为主。扩散电流为主。一般情况下正偏一般情况下正偏PNPN结的电流为：结的电流为：其中其中n n称为理想因子，一般介于称为理想因子，一般介于1 1和和2 2之间。之间。8.6 PN8.6 PN结的击穿特性结的击穿特性 在理想在理想PNPN结中，外加的反偏电压将导致一结中，外加的反偏电压将导致一个很小的反向饱和电流，然而，反向偏置电压个很小的反向饱和电流，然而，反向偏置电压不可能无限制增大，当反向偏置电压达到某个不可能无限制增大，当反向偏置电压达到某个临界点时，临界点时，PNPN结反向电

39、流将急剧增大，结反向电流将急剧增大，这个临这个临界的外加反向偏置电压就称为界的外加反向偏置电压就称为PNPN结的击穿电压。结的击穿电压。 PN PN结中通常存在两种击穿机理：结中通常存在两种击穿机理：齐纳击穿和齐纳击穿和雪崩击穿，前者主要发生在重掺杂的雪崩击穿，前者主要发生在重掺杂的PNPN结中结中 齐纳击穿齐纳击穿是通过载流子的隧道击穿机理而产是通过载流子的隧道击穿机理而产生的，反偏条件下重掺杂生的，反偏条件下重掺杂PNPN结两侧的导带和价结两侧的导带和价带靠得非常近，在强电场作用下电子有可能通带靠得非常近，在强电场作用下电子有可能通过隧道作用直接由过隧道作用直接由P P型区中的价带跃迁至型区中的价带跃迁至N N型区型区中的导带，从而引起齐纳击穿，这种隧道击穿中的导带，从而引起齐纳击穿，这种隧道击穿的物理过程如下页图所示。的物理过程如下页图所示。热平衡能带图热平衡能带图通过隧道效应引发齐纳击穿的物理过程示意图通过隧道效应引发齐纳击穿的物理过程示意图 在外加的反向偏置电压在外加的反向偏置电压作用下，重掺杂作用下，重掺杂PN结的能带结