半导体物理学课件7p-n结

半导体物理学课件7p-n结第一页，共65页。6.1pn结及其能带图冶金结＿P区和n区的交界面突变结线性缓变结超突变结突变结＿均匀分布，交界处突变第二页，共65页。6.1pn结及其能带图基本结构空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）PN结的形成第三页，共65页。阻挡层耗尽区Depletionregion空间电荷区Spacechargeregion6.1pn结及其能带图空间电荷区第四页，共65页。EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同。6.1pn结及其能带图能带图第五页，共65页。内建电势差

(TheContactPotential)VD

平衡时6.1pn结及其能带图能带图第六页，共65页。n型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为6.1pn结及其能带图内建电势差第七页，共65页。*势垒高度~ND、NA6.1pn结及其能带图内建电势差第八页，共65页。突变结6.1pn结及其能带图空间电荷区宽度第九页，共65页。载流子分布(

Carrierdistributions)6.1pn结及其能带图载流子分布第十页，共65页。第十一页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系第十二页，共65页。外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相应地势垒区变薄。外加电场削弱了漂移运动，使:

漂移<扩散(1)正向偏置（Forwardbias）6.2pn结电流理想电流电压关系这种由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为电注入。第十三页，共65页。(1)正向偏置（Forwardbias）能带第十四页，共65页。SpacechargeregionNeutralregionDiffusionregion第十五页，共65页。这两股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。P区空穴向n区扩散——空穴扩散电流n区电子向P区扩散——电子扩散电流。(1)正向偏置（Forwardbias）电流第十六页，共65页。根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。考虑-xp截面：忽略了势垒区载流子的产生和复合：第十七页，共65页。第十八页，共65页。正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布第十九页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系理想假设1、耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变，且耗尽区以外的半导体区域是电中性的。2、载流子统计分布复合麦克斯韦-玻尔兹曼近似。3、复合小注入条件。4(a)、pn结内的电流值处处相等。4(b)、pn结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。4(c)、耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。第二十页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系计算流过p-n结电流密度的步骤：1、根据费米能级计算耗尽区边界处注入的过剩少子浓度。2、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区中载流子连续性方程——双极输运方程。得到过剩载流子分布表达式。3、将过剩少子浓度分布带入扩散电流方程得到扩散电流密度。4、将两种载流子扩散电流密度相加，得到理想p-n结电流电压方程。第二十一页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系1、边界条件第二十二页，共65页。边界条件的确定p区内：p区内少子电子浓度：n区内少子空穴浓度：第二十三页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系第二十四页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系2、少数载流子分布——解双极输运方程小注入n型半导体双极输运方程：当x>xn时，E=0，且令g‘=0，pn结处于稳态。第二十五页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系第二十六页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系3、理想pn结电流Xn处少子空穴扩散电流密度：-Xp处少子电子扩散电流密度：第二十七页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系理想关系-------肖克莱方程反向饱和电流密度第二十八页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系物理学小结第二十九页，共65页。外加电场Vr与内建电场方向一致扩散<漂移(2)反向偏置（Reversebias）VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽6.2pn结电流理想电流电压关系第三十页，共65页。势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了反向扩散电流。第三十一页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系第三十二页，共65页。6.2pn结电流理想电流电压关系第三十三页，共65页。类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。

Jr与反向电压Vr无关，是因为当反向电压V的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。6.2pn结电流理想电流电压关系第三十四页，共65页。

p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：正向：V=Vf反向：V=-Vrp-n结的伏-安特性单向导电性---整流6.2pn结电流理想电流电压关系第三十五页，共65页。温度影响大单边突变结I-V特性由轻掺杂一边决定。6.2pn结电流理想电流电压关系第三十六页，共65页。短二极管边界条件：少子浓度：少子扩散电流密度：6.2pn结电流第三十七页，共65页。影响p-n结伏-安特性的主要因素：产生偏差的原因：（2）在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。6.2pn结电流偏离理想情况（1）正向小电压时忽略了势垒区的复合；正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降。第三十八页，共65页。产生复合电流反偏产生电流JR空间电荷区内：第三十九页，共65页。产生复合电流正偏复合电流：n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴在势垒区内复合了一部分，形成复合电流。第四十页，共65页。产生复合电流总正偏电流第四十一页，共65页。产生复合电流J小时复合主导J大时扩散主导一般状况下，二极管的电流电压关系：

n为理想因子。正偏电压较大：n≈1正偏电压较小：n≈2过渡区内：1<n<2第四十二页，共65页。注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布大注入扩散区产生内建电场第四十三页，共65页。

p-n结的直流伏-安特性表明：

1.具有单向导电性。

2.具有可变电阻性。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。

p-n结的交流特性表明:p-n结还具有可变电容的性质6.2pn结电流第四十四页，共65页。p-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。（1）势垒电容CT由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容也称结电容（Junctioncapacitance）6.3结电容

(Capacitanceofp-nJunction)第四十五页，共65页。6.3结电容反偏势垒电容单位面积电容第四十六页，共65页。6.3结电容反偏势垒电容第四十七页，共65页。6.3结电容单边突变结Na>>Nd时，这种结称为P+n结。空间电荷区宽度：第四十八页，共65页。6.3结电容单边突变结第四十九页，共65页。非均匀掺杂pn结线形缓变结x=x’处a为净杂质浓度梯度；第五十页，共65页。非均匀掺杂pn结线形缓变结第五十一页，共65页。由于正向电压V的变化引起扩散区中储存电荷Q的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容。(2)扩散电容也称电荷存储电容（chargestoragecapacitance）6.3结电容

(Capacitanceofp-nJunctions)第五十二页，共65页。

CT与CD都与p-n结的面积A成正比，且随外加电压而变化。点接触式二极管面积很小，

CT、CD

：0.5—1pF面结型二极管中的整流管面积大，

CT、CD

：几十—几百pF6.3结电容

(Capacitanceofp-nJunctions)第五十三页，共65页。（3）总电容p-n结的总电容为两者之和：正向偏置p-n结时，以CD为主，Cj≈CD反向偏置p-n结时，以CT为主，Cj≈CT6.3结电容

(Capacitanceofp-nJunctions)第五十四页，共65页。在反向偏置下，当反向电压很大时，p-n结的反向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性--p-n结的击穿。6.4p-n结的击穿(Berakdown)第五十五页，共65页。

p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对——碰撞电离。(1)雪崩击穿

(Avalancheberakdown)6.4p-n结的击穿(Berakdown)第五十六页，共65页。连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.2.势垒宽度:势垒宽度足够宽,击穿电压小

3.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.4.温度:温度升高,击穿电压增大.6.4p-n结的击穿(Berakdown)第五十七页，共65页。(2)齐纳击穿(Zenerberakdown)或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制.根据量子力学的观点,当势垒宽度XAB足够窄时,将有电子穿透禁带.当外加反向电压很大时,能带倾斜严重,势垒宽度XAB变得更窄.造成很大的反向电流.使p-n结击穿.XDXAB6.4p-n结的击穿(Berakdown)第五十八页，共65页。影响齐纳击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度:掺杂浓度大,击穿电压小.

2.禁带宽度:禁带宽度越宽,击穿电压越大.3.温度:温度升高,击穿电压下降..齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿.相反,易发生雪崩击穿.(3)热击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.第五十九页，共65页。低浓度雪崩，高浓度隧穿6.4p-n结的击