第六章 pn结二极管：I-V特性

1、 第六章 pn结6.1 pn 结及其能带图结及其能带图6.2 pn结电流电压特性结电流电压特性6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差*（了解）（了解）据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外种，另外还有还有110个相关的变种个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图1 p-n 结的形成和杂质分布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

2、型，在二者的交界面处形成了pn结。 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图冶金结的位置冶金结的位置杂质浓度随位置的变化曲线杂质浓度随位置的变化曲线 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图突变结突变结线性缓变结杂质分布 xxj, N(x)=ND（x)=qax 0 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图)exp(0TkEENnFCc)exp(0TkEENpVFv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。 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图方法一方法一方法二平衡pn结中的电势和电势能 6.1 pn 结及其能带图结及其

3、能带图pideniFsidepFibinipincpcpnbiEEEEqVxExEqxExEqxVxVV)()(1)()(1)()(1)()()ln()ln()ln(12iDAiDiAnNNqkTnNkTnNkTq 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图6.2 pn结电流电压特性结电流电压特性0偏偏正偏正偏反偏反偏6.2.1 定性推导定性推导电子从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

4、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 定性推导定性推导正偏时的能带正偏时的能带/电路混合图电路混合图6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导反偏时的能带反偏时的能带/电路混合图电路混合图6.2.1 定性推导定性

5、推导6.2.1 定性推导定性推导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结费米能级理想理想p-n结，满足以下条件的结，满足以下条件的p-n结结 （1）二极管工作在稳态条件下）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）杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n 0 -xpxxn (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn （3）二极管是一维的）二极管是一维的 （4）小注入条件：）小注入条件：p区：区： npp0 n区：区： pnn0(5) 忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、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

6、与空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与复合，故通过复合，故通过 势垒区的电流为常数。势垒区的电流为常数。6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导0)(xnp0)(xpn6.2.1 定性推导定性推导 P区 n区6.2.1 定性推导定性推导边界条件边界条件0)(xnp0)(xpn6.2.1 定性推导定性推导6.2.3严格推导PAPApPALxkTqVDiPpnpPLxkTqVDinLxLxkTqVDinpnnPeeNnLqDdxpdqDxJeeNnxpeAeAxpeNnxpxpxpdxpdD) 1()() 1()()() 1()0(0)()0(022

7、21222n区nAnAnnALxkTqVAinnpnnLxkTqVAipLxLxpkTqVAippnppneeNnLqDdxndqDxJeeNnxneAeAxneNnxnxnxndxndD ) 1()() 1()()() 1()0(0)()0 (02 2 21 2 22p区6.2.3严格推导正偏时的过剩少子浓度分布正偏时的过剩少子浓度分布) 1)() 1()0() 1()0()222 2kTqVAiNNDippkTqVAiNNNpNkTqVDipppnpAAAeNnLDNnLDqAJAIeNnLDqxJxxJeNnLDqxJxxJ（6.2.3严格推导6.2.4 结果分析二极管）（二极管）（倍）

8、管比硅管的饱和电流大（反向饱和电流正向偏置：pnNnLDqAInpNnLDqAIGeNnLDNnLDqAIVkTqIIeIIAiNNDippAiNNDippAkTqVA202062200010)()2()ln()ln() 1 (非对称结中，重掺杂一非对称结中，重掺杂一侧的影响较小，可忽略侧的影响较小，可忽略6.2.4 结果分析6.2.4 结果分析6.2.4 结果分析0偏偏正偏正偏反偏反偏 讨论题：理想二极管的讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化曲线如何随温度而变化6.2.4 结果分析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 结果分析击穿Si pn结的I-V特性曲

9、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：（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。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75. 01BBRNV雪崩倍增是主要击穿过程小的反向电压时，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。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