晶体管原理第二章.ppt

1、,PN 结是构成各种半导体器件的基本单元。,第 2 章 PN 结,P 区 NA,N 区 ND,平衡状态：PN 结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。,2.1 PN 结的平衡状态,2.1.1 空间电荷区的形成,空穴扩散：P 区 N 区 电子扩散：P 区 N 区,扩散电流方向为，P 区 N 区,P 区,N 区,NA-，pp0,ND+，nn0,内建电场,空间电荷区,P 区,N 区,NA-,ND+,NA-,pp0,ND+,nn0,2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度,P,N,以上的 E(x) 就是 PN 结的 内建电场。,1.N区 P区的电场为,Vbi 与掺杂浓度、温度

2、及半导体的材料种类有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V 。,（2-13）,对内建电场作积分可得 内建电势Vbi,2、内建电势,可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 ：,3、耗尽区宽度,总的耗尽区宽度 ：,2.1.3 能带图,N区,P区,由图可见，电子从 N 区到 P 区必须克服一个高度为 qVbi 的势垒，空穴从 P 区到 N 区也必须克服一个同样高度的势垒，所以耗尽区也被称为“势垒区”。,P,N,2.2 PN 结的直流电流电压方程,PN 结二极管的直流电流电压特性曲线,面积为 Vbi,2.2.1 外加电压时载流子的运动情况 外加正向电压 V 后，PN 结势垒高度

3、由 qVbi 降为 q(Vbi -V) ， 使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。,由于正向电流的电荷来源是 N 区电子和 P 区空穴，它们都是多子，所以正向电流很大。,P,N,x,0,平衡时,外加正向电压时,外加电场,内建电场,面积为 Vbi-V,V,P区,N区,0,正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp ( 在 N 区中推导 ） 2、电子扩散电流密度 Jdn ( 在 P 区中推导 ） 3、势垒区复合电流密度 Jr ( 在势垒区中推导 ）,外加反向电压 V (V 0) 后， PN 结的势垒高度由 qVbi 增高到 q(Vbi -V)， xd 与 都增大。,P,N,x,0,平

4、衡时,外加反向电压时,外加电场,内建电场,面积为 Vbi -V,面积为 Vbi,多子面临的势垒提高了，难以扩散到对方区域中去了，但少子更容易被反向电场拉入对方区域，从而形成反向电流。 由于反向电流的电荷来源是少子，所以反向电流很小。,V,P区,N区,0,反向电流密度也由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp 2、电子扩散电流密度 Jdn 3、势垒区产生电流密度 Jg（ Jg 与 Jr 可统称为 Jgr ),以上两式常被称为“结定律”，对正、反向电压均适用。但在正向时只适用于小注入。,2.2.2结定律 在 N 型区与耗尽区的边界处，,在 P 型区与耗尽区的边界处，,2.2.3 扩散电流,外加

5、正向电压时 PN 结中的少子分布图为,P区,N区,注入 N 区的非平衡空穴，在 N 区中 一边扩散一边复合 ，其浓度随距离作指数式衰减。衰减的特征长度就是空穴的扩散长度 Lp 。每经过一个 Lp 的长度，非平衡空穴浓度降为 1/e 。,P区,N区,外加反向电压时 PN 结中的少子分布图为,N 区中势垒区附近的少子空穴全部被势垒区中的强大电场拉向 P 区， 所以空穴浓度在势垒区边界处最低，随距离作指数式增加，在足够远处恢复为平衡少子浓度。减少的空穴由 N 区内部通过热激发产生并扩散过来补充。,PN 结总的扩散电流密度（ N 区内的空穴扩散电流+P 区内的电子扩散电流 ） Jd 为,当 V = 0

6、 时，Jd = 0 ，,当 V kT/q 时，,当 V kT/q 时，Jd = -J0,室温下硅 PN 结的 J0 值约为 10-10A/cm2 的数量级。,I,V,I0,0,J0 乘以 PN 结的结面积 A ，得：,反向饱和电流,2.2.4 势垒区产生复合电流,请同学自己看书复习,2.2.5 薄基区二极管 本小节的结果在第 3 章中有重要用途。,薄基区二极管 是指， PN 结的某一个或两个 中性区的长度小于少子扩散长度 。,P,N,WB,0,这时其扩散电流 Jd 会因为少子浓度的边界条件不同而有所不同。但势垒区产生复合电流 Jgr 的表达式无任何变化。,解扩散方程得到的 N 区中的非平衡少子

7、分布 为,对于薄基区二极管，WB Lp ，利用近似公式 N 区中的非平衡少子：,上式对正、反向电压都适用。类似地可得 P 区中的非平衡少子分布 np(x) 的表达式。薄基区二极管中的少子分布图为,2.3 大注入效应,大注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度。,在 N 区中 xn 附近， 或在 P 区中（- xp）附近，,N 区,当发生大注入时，PN 结的电流电压关系为,这时，PN 结的 lnI V 特性曲线的斜率，将会从 小注入时的 ( q/kT ) 过渡到 大注入时的 ( q/2kT ) 。,2.4 PN 结的击穿,雪崩倍增 隧道效应 热击穿,击穿现象,击穿机理：

8、,电击穿,2.4.1 雪崩击穿,反向电压 可使被碰撞的价带电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这就是 碰撞电离。碰撞电离主要发生在反偏 PN 结的耗尽区中。,之后,新的载流子再被加速,再与原子碰撞,又继续产生一对新的电子空穴对. ,这种现象称为雪崩倍增 。,对于突变结，,可见，禁带宽度 EG 越大，则击穿电压 VB 越高；约化杂质浓度 N0 越低，VB 越高。对于单边突变结，N0 就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此 击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则 VB 越高。,对于线性缓变结，,结面曲率半径的影响 由扩散工艺所形成的 PN 结，在结面的四周和四角会形成柱面与球面。,结深

9、 xj 越小，曲率半径就越小，电场就越集中，击穿电压VB 也就越低，且多发生在表面而不是体内。,2.4.2 齐纳击穿 隧道效应：由于电子具有波动性，可以有一定的几率穿过势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。,由于存在隧道效应，使价带中不具有 EG 能量的A点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的 B 点，从而进入 N 区形成反向电流。,电子能量,电子动能,x,随着反向电压的提高 ， 增大，隧道长度 d 缩短， 使反向电流增大。当反向电压增大到使 达到临界值时，d 变的足够小，使反向电流急剧增大，这种现象就称为 齐纳击穿 ，或 隧道击穿。,硅和锗 PN 结的齐纳击穿临界电场分别为 1200 kV/c

10、m 和200 kV/cm 。,反向电压 V功率 PC = V I0 结温 Tj I0,当 Tj 不受控制的不断上升时，将导致 PN 结的烧毁，这就是 热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。,2.4.3 热击穿,式中 V 为反向电压，Tj 为 PN 结的结温。,半导体材料的禁带宽度 EG 越大，则 I0 越小，热稳定性就越好，因此硅 PN 结的热稳定性优于锗 PN 结。,由于 PN 结的反向电流 I0 极小，所以功率损耗 PC 也极小，一般并不容易发生热击穿。实际上热击穿往往发生在已经出现电击穿，因而反向电流比较大的情况下。或者发生在正向时 ，因为正向电流不但很大，而且也有正的温度系数。,势垒电容

11、 CT,2.5 PN 结的势垒电容,PN 结电容,扩散电容 CD,2.5.1 势垒电容的定义 当外加电压有 ( - V ) 的变化时，势垒区宽度发生变化 ，使势垒区中的空间电荷也发生相应的 Q 的变化 ，如下图。,P区,N区,PN 结势垒微分电容 CT 的定义为,简称为 势垒电容。,（2-126）,势垒电容 CT 可以表示为,（2-127）,2.5.2 突变结的势垒电容,于是可得：,式中，,（2-130）,根据势垒电容的定义，,2.5.3 线性缓变结的势垒电容,当外加较大反向电压时，,2.6 扩散电容,对于 P+N 单边突变结， 可见 CD也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。,N 区：（同时产生）,扩散电容的物理意义,P 区：（同时产生 ）,P区,N区,势垒电容与扩散电容的比较,势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化率； 正