PN结与二极管原理PPT课件[通用]

1、P-N 结P-N junction2.1 平衡PN结2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布2.2 PN结的直流特性2.2.1 PN结的正向特性2.2.2 PN结的反向特性2.2.3 PN结的伏安特性2.2.4 影响PN结伏安特性的因素2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度2.4 PN结的击穿特性2.4.1 击穿机理2.4.2 雪崩击穿电压2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素2.5 PN结的电容效应2.5.1 PN结的势垒电容2.5.2 PN

2、结的扩散电容2.6 PN结的开关特性2.6.1 PN结的开关作用2.6.2 PN结的反向恢复时间2.6.3 提高PN结开关速度的途径2.7 金属半导体的整流接触和欧姆接触2.7.1 金属半导体接触的表面势垒2.7.2 金属半导体接触的整流效应与肖特基二极管2.7.3 欧姆接触2.1 平衡 PN 结 在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能过渡区域； 平衡PN结就是指没有外加电压、光照和辐射等 的PN结。 结面基体衬底（外延层）2.1.1 PN结的杂质分布状态合金法 扩散法(主流) 离子注入法 突变结 缓变结 1016/cm31019/cm3结深与突变结相似 2.1.

3、2 平衡PN结的空间电荷区和能带图空穴为少子电子为多子空穴为多子电子为少子接触前 相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓度差，各区中的多子发生扩散，并复合、消耗；1、空间电荷区的形成空穴电子交界区域就形成了空间电荷区（也叫空间电荷层、耗尽层） 空间电荷区中，形成一个自建电场 电子空穴PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻以带负电的电子为例： 漂移运动 电场力 少子扩散运动 浓度差 多子动态平衡两个相反的运动大小相等、方向相反；思考：自建电场对各区中的少子发生什么影响？电子空穴由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。？2、能带状态图没有外加电压，费米能级应处处相等；即 ：两个区的费米能级拉平

4、。 各自独立时接触时 电场 电场方向是电势降落的方向； 定义电势能： 平衡后能带图是按电子能量的高低画 P区电子的电势能比N区的高 PN结接触电势差 在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡” PN结势垒 势能坡垒 空间电荷区 3、PN结 接触电势差 For n-type regionFor p-type region即有 式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度； UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的电阻率越低，接触电势差U

5、D越大；禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。室温下，硅的= 0.70 V，锗的= 0.32 V NA=1017/cm3ND=1015/cm32.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布空间电荷区 少子 少子 多子 多子 扩散区分布按指数规律变化 耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽； n:电子 p:空穴 Depletion layer空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;自建电场2.2 PN结的非平衡双向直流特性PN结非平衡状态在PN结上施加偏置(Bias)电压 ；PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased)，否则 为反向偏置(称反偏 reverse bi

6、ased)，并假设： P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度； P型区和N型区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外没有电场； 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，空间电荷区不存在载流子的产生与复合； 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做一维运动； 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。 Low-level injection2.2.1 PN结的正向偏置特性 1、正偏能带变化图 非平衡 平衡时 外加电场 势垒宽度变窄 电场被削弱 势垒高度降低 正偏使势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡，载流子的扩散作用超过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN结的正向电流。 2、

7、外加多子正向注入效应 非平衡不同区的少子浓度分布 比较：平衡PN结 注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散，同时进行复合，最终形成一个稳态分布。 扩散长度 电子 空穴 p两边的多子易通过势垒区电阻很小空穴电子3、正向扩散区边界少子浓度和分布空穴扩散区 电子扩散区 平衡被破坏，在扩散区和势垒区，电子和空穴没有统一的费米能级，这时只能用准费米能级表示 。 势垒区 两边界的少子分布 非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 。准费米能级边界4、正向电流转换和传输 比较：平衡PN结 漂移 扩散 复合 扩散区中的少子扩散电流都通过复合转

8、换为多子漂移电流。PN结内任意截面的电流是连续的。 Forward-active regime正向注入5、PN结的正向电流-电压关系 PN结内各处的电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 处的电子电流和空穴电流，就是总的PN结电流：N区非平衡少子-空穴的分布函数为：空穴扩散电流密度为：其中，负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随 增加而减小，在 处（ 的边界处）空穴电流密度为：同理，把注入P区边界 的非平衡电子的浓度 ，乘以电子的扩散速度 、电量 和PN结的截面积 ,便可以得到在 处注入 区的电子扩散电流 ：正向电流-电压关系 I

9、0 是不随外加正偏压而变化的。 在常温（300 K）下，可近似为即: 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大 重要特性 2.2.2 PN结的反向特性 1、反向抽取作用反向PN结空间电荷区具有“抽取”少子的作用；电场加强 宽度变宽 平衡 非平衡 扩散 扩散 电场反向抽取 势垒加高注入少子 多子 比较：平衡PN结 多子被阻挡无大电流少子做贡献微电流作用电阻很大2、反向边界少子浓度和分布 2平衡PN结 由于反向抽取，边界处少子浓度低于平衡值 。 电场加强扩散长度少子少子平衡值反向偏置时，漂移大于扩散少子平衡值少子边界边界负指数变化反向电流的转换和传输 本质空穴电流 电子电流 漂移 扫过 扩散

10、反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。一般情况下，少子浓度都很小，因而反向电流也很小。 Reverse regime少子少子边界电子电流 空穴电流 多子被阻挡边界IR2反向饱和电流 反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为 为反向饱和电流， 随着反向电压U的增大，IR 将趋于一个恒定值 -I0 因 少子浓度与本征载流子浓度成正比，并且随温度升高而快速增大。所以，反向扩散电流对温度十分敏感，随温度升高而快速增大。在300 K时，UT26 mV 这时 PN结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻值很大, 高达几百千欧以上。令2.2.3 PN结的正、反向V-A特性 将

11、PN结的正向特性和反向特性组合起来 正向电流很小 导通电压UTH（称门槛电压）正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压正常工作区的边界；急剧增大 室温时，锗PN结的导通电压约为0.25 V，硅PN结为0.5 V。 Eg /q 反向饱和电流 图有问题！单向导电性 正向电压正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增加很大 ，成指数规律增加，电流随着电压的增加快速增大； 反向电压反向截止 ；反向抽取使边界少数载流子浓度减少，很快趋向于零，电压增加时电流趋于“饱和” ； 正向电阻小 反向电阻大 leakage正向导通，多数载流子扩散电流；反向截止，少数载流子漂移电流；2.2.4 影响PN结伏安特性

12、的因素(简述)V-A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有： 1. 正向PN结空间电荷区复合电流；2. 反向PN结空间电荷区的产生电流；3PN结表面复合和产生电流； 4. 串联电阻的影响；5. 大注入的影响； 大注入(High-level injection)注入的非平衡少子浓度 大于平衡时多子的浓度；6. 温度的影响； 空间电荷的影响分压压降的影响小注入条件被破坏少子的影响增强(本征激发)1. 正向PN结空间电荷区复合电流；正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，载流子浓度高于平衡值;浓度相差很大复合影响不显著浓度相差很大复合影响不显著电子和空穴浓度基本相等复合影响显著复合地点

13、不同 通过空间电荷区复合中心的复合相对较强 2. 反向PN结空间电荷区的产生电流；反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电荷区内载流子浓度低于平衡值，故产生率大于复合率; 产生出来的电子空穴对 产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流; 空间电荷区宽度随着反向偏压的增大而展宽，电荷区的数目增多，产生电流是随反向偏压增大而增大。 3PN结表面复合和产生电流； PN结的空间电荷区被延展、扩大； 表面空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大，跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似。 (1) 表面电荷引起表面空间电荷区 表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和反响的产生电流，

14、表面空间电荷越大，引起的附加的电流也就越大。界面态的复合和产生作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，它们对PN结也将引进附加的复合和产生电流。 (2) 硅二氧化硅交界面的界面态 表面沟道电流 表面漏导电流 衬底 正电荷较多 形成N型反型层 PN结面积增大，因而反向电流增大。 表面玷污 引起表面漏电 也将产生反向电流增加 ?反偏4. 串联电阻的影响PN结的串联电阻（包括体电阻和欧姆接触电阻）RS RS结上电压降 衬底 当电流足够大时，外加电压的增加主要降落在串联电阻上，电流电压特性近似线性关系。 解决办法减小体电阻 5. 大注入的影响PN+E正向大电流; 注入P区的非平衡少子电子将产生积累;

15、 维持电中性必然要求多子空穴也有相同的积累; 多子空穴存在浓度梯度，使空穴产生扩散，一旦空穴离开，P区的电中性被打破，在P区必然建立起一个电场E，阻止空穴的扩散以维持电中性，该电场为大注入自建电场。该电场的方向是阻止空穴扩散，但有助于加速电子的扩散。 修正的正向电流：P相比小注入， 大注入的特点1、大注入时，空穴的电流密度与P区杂质的浓度 无关 原因：电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的浓度，出现了空穴的积累。2、大注入时，少子电子的扩散系数增加一倍 原因： P区产生自建电场，使少子电子扩散的同时，产生漂移3、小注入时，电流为 ；大注入时，电流为 原因：电流增大后，电压不完全降落在空间电荷

16、区域，有一部分降落在P区6. 温度的影响随温度变化的程度，起决定作用的要算 ni I0随着温度的升高，PN结正、反向电流都会迅速增大。 在室温附近，锗PN结，温度每增加 10，I0 增加一倍； 温度每增加 1，正向导通电压下降 2mV； 硅PN结，温度每增加 6， I0 增加一倍; 温度每增加 1，正向导通电压下降 1mV 。 2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度 采用“耗尽层”近似: 电子空穴 空间电荷区不存在自由载流子，只存在电离施主和电离受主的固定电荷； 空间电荷区边界是突变的，边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零。 2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度平衡时空间电荷

17、区的宽度: Xm = XP + XN 宽度与它们的杂质浓度成反比; 非对称空间电荷区净施主浓度 净受主浓度 结PN电场强度（等于通过单位横截面积的电力线数目）在空间电荷区内各处是不相同的; 平衡时最大场强为 半导体的电容率 空间电荷区交界面 边界 边界 交界面上真空中每库仑电荷发出的电力线数目为：在P区在N区突变结电场分布 场强最大 场强为零 场强为零 直线的斜率正比于掺杂浓度ss单边突变结若P区和N区的掺杂浓度相差很大；如PN+结，N区掺杂浓度远远大于P区;空间电荷区主要在P区一侧;电场分布+宽度主要由低掺杂区N0决定。低掺杂P区对于PN+结，N0=NA对于P+N结，N0=NDN0平衡时非平

18、衡时XN2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度以 单边突变结为例子，空间电荷的宽度为：Xm = XP + XN = XP N区与P区的电位差： 数值等于曲线下的三角形面积“+”对应于加反向偏压“”对应于加正向偏压 非平衡时平衡时突变结空间电荷区 UT = UDU Rewrite外加偏压2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度 用扩散法制造的PN结称为缓变结主流工艺 PN结结面衬底氧化层扩散深度原材料均匀浓度 结面 结深 表面 外加反向电压较小可近似看做线性缓变结 反向偏压较大可看做单边突变结 晶体管一般结深较浅、表面浓度较高单边突变结 Xj 约10-4cm外加反偏电压的有效作用1、线性缓变结

19、的电场XP + XN = Xm /2与半边突变结不同的是，正负空间电荷的宽度相等，有对空间电荷区积分，电场强度为：表面浓度很低、结深很深的扩散结，可看做线性缓变结； 线性缓变结的空间电荷区和电场分布 XNXP杂质浓度梯度，是一常数 电场分布呈抛物线 对称结线性缓变结非线性外加电压NDNA问：如何计算？ 是何意义？2、线性缓变结的电位和空间电荷区域的宽度2.4 PN结的反向击穿特性 正向 反向 反向饱和电流 反向电流骤然变大 UB 发生击穿时的反向偏压称为PN结的击穿电压 略有增长 PN结导通 击穿机理目前提出了三种 反向击穿死区击穿并不意味着PN结 烧坏 !UB手册上给出的最高反向工作电压UW

20、RM一般是UBR的一半雪崩击穿(Avalanche Breakdown)高能击穿，可逆强电场大动能碰撞产生如此继续下去，同雪崩现象一样 ；锗、硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿。 硅PN结，击穿电压大于6 V的是雪崩击穿； 常见：半导体的掺杂浓度低；隧道击穿(Zener breakdown)（齐纳击穿或场致击穿） 量子贯穿，可逆势垒区水平距离d 变窄，发生量子隧道效应； 硅PN结，击穿电压小于4 V的是隧道击穿； 当PN结两边掺入高浓度的杂质时, 其耗尽层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为几伏), 在PN结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产

21、生电子-空穴对, 使反向电流急剧增加, 出现击穿现象。隧道贯穿变窄强电场产生原因：热电击穿高热击穿，不可逆反向电流大热损耗 结温上升 PN结烧毁 禁带宽度小的半导体材料所制成的PN 结（如锗PN结），其反向电流大，容易发生热击穿； PN结正常使用的温度要小于允许的最高结温:硅管150200oC锗管75100oCQ = I 2 R t问：为什么高热会使空间电荷区失效？（焦耳热）2.4.2 雪崩击穿电压的估算 1、击穿条件的描述 有效电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子空穴对数。 锗PN结 硅PN结 有效电离率主要集中在电场强度最大处附近； 一个载流子通过势垒区时，

22、由碰撞电离所产生的电子空穴对数为 势垒区击穿条件为 由实验得，倍增因子M 随外加偏压U的变化规律为 数值 n 根据半导体材料低掺杂浓度一侧的导电类型而定。雪崩倍增因子电流倍增的程度 。雪崩击穿不仅与电场强度有关，还与空间电荷区宽度有关。 M 反向饱和电流 反向电流U, M一般 n = 72、单边突变结的雪崩击穿电压（1）击穿的临界电场强度（2）雪崩击穿的电压单边突变结雪崩击穿电压 低掺杂浓度雪崩击穿电压3、线性缓变结的雪崩击穿电压 最大场强2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素杂质浓度 如果衬底杂质浓度N0高，就容易被击穿。场强不同 击穿电压的因素：杂质的浓度，外延层厚度、扩散结结深和表面状态。1

23、、杂质浓度对击穿电压的影响2、雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系外延层（低掺杂区）厚度 W击穿电压由N型区的电阻率决定 外延层较宽W外延层:同型材质的低掺杂区；反向偏压增大势垒区扩展结面场强随着反向偏压升高而增大 较低的反向偏压下就会击穿 外延层较薄外延层较薄势垒区扩展：穿通效应；难以进入重掺杂区；边界增加的反向偏压结面条件：相同的偏压，N区的掺杂浓度相同但厚度不同。3、扩散结结深对击穿电压的影响 纵向扩散横向扩散先发生击穿 由于碰撞电离率随电场强度的增加而快速增大，因此他们的击穿电压为：为减小结深对击穿电压的影响，可采取的措施：1、深结扩散：增加曲率半径，减弱电场集中现象，提高 雪崩击穿电

24、压；2、磨角法：将电场集中的柱面结和球面结磨去，形成台 型的PN结；3、采用分压环4、表面状态对击穿电压的影响 势垒宽度变薄，击穿电压下降 沟道漏电 反型层带正电的二氧化硅的正电荷会使：2.5 PN结的电容效应空间电荷区的电荷量随着外加偏压而变化 PN结具有电容效应 电子空穴Depletion capacitance结具有两种电容： 势垒电容和扩散电容。 2.5.1 PN结的势垒电容 外加反向偏压减小结上压降下降 空间电荷区宽度的减小 空间电荷量减少 反向偏压增加结上压降增大 空间电荷区宽度增大空间电荷区电荷量增加 PN结电容只在外加电压变化时才起作用交流影响外加电压频率越高，电容的作用也越显

25、著高频影响 PN结势垒电容(Barrier capacitance)电容效应发生在势垒区。+-+-充电放电1、PN结的势垒电容PN结势垒电容与平行板电容器很相似，但有区别。 半导体介质的电容率 结面积 PN结电容通直流，空间电荷区宽度可变化， 势垒电容是偏压U的函数；通常的电容器隔直流，极板间的距离d是一个常数， 电容量C与电压U无关；注意区别： A随外加电压变化而变化只要有一定面积，并电荷发生变化，就会产生电容效应；2、单边突变结势垒电容 正向偏压会使势垒电容增大，反向电压会使势垒电容减小。 UT = UDU 比较什么含义？反向电压：+外加电压电位差3、线性缓变结势垒电容 上面的公式均在耗尽

26、层下推倒的，当PN结反偏电压较高时，耗尽层近似是合理的，然而反向偏压较低，特别是施加正向偏压时，空间电荷区有大量的载流子通过，PN结的势垒电容将产生较大的误差，必须进行修正：不对称突变结：对称突变结：线性缓变结其中：4、实际扩散结势垒电容 扩散结势垒电容的计算十分复杂，通常采用查表法求得。教材图2.58是在耗尽层近似下，用电子计算机计算的结果绘出的图表曲线，适用于余误差分布和高斯分布。 考虑PN结的势垒电容之后，在交流情况下，PN结可以看成一个交流电导（或动态电阻）和一个势垒电容相并联的等效电路。 2.5.2 PN结的扩散电容(Diffusion capacitance)扩散长度 电子 空穴

27、pPN结的扩散电容扩散区中积累电荷量（非平衡少子 ）也随着外加电压而改变； 扩散电容随正向电压加大呈指数增加，所以和正向电流成正比。 正向扩散电容空穴扩散区电容电子扩散区电容电子空穴2.6 PN结的二极管开关特性(Diode switching behavior)国家标准(GB)对半导体器件型号的命名：二极管(diode)符号：旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)2 二极管A 锗材料 N 型B 锗材料 P 型C 硅材料 N 型D 硅材料 P 型P 普通管W 稳压管(zenerdiode)Z 整流管K 开关管U 光电管2CP 2AP 2CZ 2CW例如：发光二极管光电二极管稳压二

28、极管(后面是厂家编号)2.6.1 PN结的开关作用 正向电阻很小 反向电阻很大 略掉正电阻 看成无穷大 正向反向开关作用 反向饱和 死区1、二极管的开关作用二极管半波整流斩波，但同相2、静态开关特性 静态处于相对静止的稳定状态； 正向正向导通时会有一个正向压降：UD = 0.7 V PN结自身有点阻抗；UD正向压降 ID死 区Forward voltage drop温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。UD1UD2硅二极管2CP-6二极管在反向截止时仍流过

29、一定的反向漏电流 I0 。 硅PN结的反向漏电流很小，只有纳安（nA）数量级，数值越小越好。锗PN结(A)级。PN结的整流特性单向导电性，关键在于耗尽层的存在；截止时, 一般认为二极管断开, 反向电阻为无穷大。PN结的单向导电性只有在外加电压时才表现出来;2.6.2 PN结的开关态反向恢复时间开关过程只考虑关闭过程 从关态转变到开态所需开启时间很短， 从开态转变到关态(U1U2)所需关闭时间却长得多； 反向恢复过程 反向导通 贮存时间 下降时间 反向恢复时间 反向饱和 反向电流UD正向导通电流开态关态输出输入stockpilefall反向恢复过程限制了二极管的开关速度。要保持良好的开关作用，脉

30、冲持续时间不能太短，也就是脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关速度。 输入电压是一连串正负相间的脉冲 T 负脉冲的持续时间T比二极管的反向恢复时间大得多 负脉冲并不能使二极管关断 反向恢复时间使输出伴有延迟，决定了工作频率；PN结的电荷贮存效应反向延迟的原因反向恢复过程是由电荷贮存效应引起的； 正向偏压 正向导通时少数载流子积累的现象，叫电荷贮存效应; 电流惯性 正向电流越大，贮存电荷量越多，曲线向上越高。 正向导通时在各区的贡献反向时P区积累的电子极容易通过E反向恢复过程中的载流子浓度的变化 变到这段时间就是贮存时间 ts 变到过程所需的时间就是下降时间 tf 在各区的残留电荷 反向饱和

31、I0 增大初始反向电流 IF ，即要求增大U2 ，减小 R 加快反向抽取变化， 反向抽取动态变化贮存电荷的贡献贮存电荷量越多，二极管的反向恢复时间就越长。 2.6.3 提高PN结开关速度的途径 1、减小正向导通时非平衡载流子的贮存量Q 减小正向电流 ID 降低 P区电子的扩散长度 从结构来考虑降低少数载流子的寿命 2、加快贮存电荷量Q消失的过程最有效 IF1 IF2 IF3 IF 越大，反向恢复时间 trr 就越小 反向恢复时间随抽出电流的变化 掺 金金扩散。实验指出，掺金二极管的反向恢复时间是未掺金的几十分之一。在注入电流和抽出电流相等（即 ID = IF）的条件下， 对突变结， trr =0.9；对缓变结，trr =0.5 当金属与半导体接触时，有二种物理接触效果： 整流接触在半导体表面形成了一个表面势垒 (阻挡 层)，和PN结类似，有整流作用。 肖特基接触(势垒) ； 欧姆接触形成没有整流作用的反阻挡层（高电导区）。 等效为一个小电阻（低阻率）。 MN半导体基体金属2.7