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1、第六章 pn结,本章主要内容,6.1 pn结及其能带图； 6.2 pn结电流、电压特性； 6.3 pn结电容； 6.4 pn结击穿特性； 6.5 pn隧道特性；,Pn相关器件认识,二极管,整流桥,主要面向计算机主板、硬盘驱动器、手机充电器、紧急照明以及笔记本电脑的背光照明等应用。,蓝紫光半导体,太阳能电池,第六章 PN结,一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件， 如结型晶体管、集成电路的心脏。,6.1 PN结及其能带图6.1.1 PN结的形成及其杂质分布,Pn结的形成 在一块n型半导体上掺入p型杂质，在交界面上形成pn结.,高温熔融的铝冷却后，
2、n型硅片上形成高浓度的p型薄层。,P型杂质浓度NA, n型杂质浓度ND,特点：交界面浓度发生突变。,在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为缓变结。,为杂质浓度梯度。,6.1.2,n结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷（不可移动）。所在的区域为空间电荷区,产生漂移电流,6.1.3,电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。,EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp，,最后，Pn具有统一费米能级EF,Pn结处于平衡状态。,能带发生整体相对移动与pn结空间电荷区中存在内建电场有关。,随内建电场(np)不断增大，V(x)不断降低，
3、,电子电势能-q V(x)由n到p不断升高,P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。直到具有统一费米能级,Pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。,本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致,动态平衡时,同理，空穴电流密度为：,电流密度与费米能级的关系,对于平衡的pn结，Jn, Jp均为零，因此，,EF=常数,当电流密度一定时，载流子浓度大的地方， EF随位置变化小，而载流子浓度小的地方， EF随位置变化较大。,6.1.4,VD称为pn结的接触电势差或内建电势差. qVD为pn结的势垒高度.,平衡时pn结的费米能级处处相等. qVD=EFn-EFp,nn0
4、、np0分别为平衡时n、p区的电子浓度,qVD=EFn-EFp,在一定温度下，掺杂浓度越高，VD越大；ni越小， VD越大,势垒高度,6.1.5,平衡时pn结，取p区电势为零，势垒区一点x的电势V(x)， x点的电势能为E(x)=-qV(x),对非简并材料， x点的电子浓度n(x)，应用第三章计算平衡时导带载流子浓度计算方法,因为E(x)=-qV(x),当 X=Xn时，V(x)=VD,n(x)=nn0,当 X=-Xp时，V(x)=0,n(-xp)=nn0,n(-xp)P区的少数载流子浓度。,X点空穴浓度为，,n0是平衡时n区的少子浓度,当 X=Xn时，V(x)=VD,p(xn)=pn0,当 X
5、=-Xp时，V(x)=0,p(-xp)=pp0,平衡时，pn结具有统一的费米能级，无净电流流过pn结。,1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动,外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与内建电场方向相反，,势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流子浓度很大，电阻很小；,产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小； 载流子扩散流漂移流， 净扩散流0 ； 宽度减小； 势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V),正向偏移下，非平衡状态,N区电子扩散 向P区；P 区空穴扩散 向N区,非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中，不断与多子复合，直到复合完毕，这段扩散过程称为扩散长度。,一
6、定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp边界的电子浓度时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。,非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。,PP处电子浓度P区空穴浓度，形成向P区的电子扩散流。,注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。,根据电流连续性原理，通过pp(或nn)任何一个界面的总电流是相等的。总电流=扩散电流+漂移电流,扩散电流漂移电流,反向偏移下，非平衡状态,外加反向电场与内建势场方向一致。,现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大； 宽度增大； 势垒高度升高(高度从qVD升高到q（VD+V)； 使漂移电流扩散电流,少数载流子的
7、抽取或吸出：n区边界nn处的空穴被势垒区强场驱向p区， p区边界pp处的电子被驱向n区。,反向电流= nn区少数载流子电流+pp少数载流子电流,2. 外加直流电压下，pn结的能带图,外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须用准费米能级EFn、EFp代替平衡时的统一费米能级,能带特征：EFp 在p区及势垒区为水平线，在空穴扩散区(nn到Lp区)为斜线； EFn 在n区及势垒区为水平线，在电子扩散区(pp到Ln区)为斜线；,EFp 、Efn在扩散区为斜线的原因：由于复合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐减小,正向偏压下的特征：P、n区具有各自的费米能级Efn、Efp； 有净电流流过pn结；
8、 正向偏压下，势垒降低qV;qV=Efn-Efp；Efn位置高于 EFP,反向偏压下pn结的能带结构,能带特征：EFn、EFP也发生了偏离，但 EFP位置高于 Efn ；,6.2.2 理想pn结模型及其电流、电压方程,理想pn结模型：(1)小注入；(2)突变耗尽层条件-外加电压和接触电势差都降落在耗尽层，耗尽层外是电中性的，注入的少数载流子做纯扩散运动；,(3)通过耗尽层的电子、空穴电流为常数，忽略耗尽层中载流子的产生及复合作用；(4) 玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。,1. pp处注入的非平衡少数载流子浓度：,在PP边界处， x=-xp, qV=Efn-Efp
9、,边界注入的非平衡少数载流子浓度为,非平衡少数载流子浓度是电压的函数。,同理，nn边界注入的非平衡少数载流子浓度为,非平衡少数载流子浓度是电压的函数。,稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程,小注入时,N型扩散区Ex=0,连续性方程变为：,方程的通解为：,边界条件：x, pn()=pn0, X=xn,同理：,外加正向偏压下，非平衡少数载流子在两边扩散区的分布,讨论：,1. 非平衡少数载流子浓度一定，在扩散区形成稳定扩散，按指数规律衰减。,当 V一定，在x=xn 和x=-xp边界处,2. 加反向偏压下，如果qVk0T,对n区：,在x=xn处,在n区内部：xLp处,2.外加偏压下电流密度的关系,小注
10、入时，耗尽层外的扩散区不存在电场，,在X=Xn处，空穴扩散电流密度为,同理，在X=-Xp处，电子扩散电流密度为,理想PN 结，忽略势垒区内的复合-产生作用，通过pp界面的空穴电流密度为Jp(-xp)=通过nn界面的空穴电流密度为Jp(xn);,通过pn结的总的电流密度为J,J= Jn(-xp) +Jp(-xp),= Jn(-xp) +Jp(xn),理想pn结的电压-电流方程，又称为肖克莱方程。,3. Pn结的单向导电性,正向偏压下，电流密度随电压V指数式迅速增大,室温下，k0T=0.026V,反向偏压下，Vk0T时，,反向电流密度为常量，与外加电压无关，-Js为反向饱和电流密度,4. 温度对电
11、流密度的影响,反向电流密度：,正向电流密度：,正向电流密度随温度升高而增加,前面的温度项温度升高缓慢增加，后项随温度升高迅速增大,6.2.3 影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素,实验表明，理想电流电压特性方程和小注入下锗pn结的实验结果较符合；但与硅pn结实验结果偏离较大。,偏离方面：正向偏压: 正向电流小时， 理论值实验值； 正向电流大时，指数形式,2. 反向偏压 反向电流理论值，反向电流不饱和，而是随反向偏压增大而略有增大,引起偏离的原因,1.势垒区产生电流,平衡时，势垒区产生率=复合率,反向偏压时，势垒区内电场加强，由于热激发作用，复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被电场驱走
12、了。使势垒区产生率复合率 。,产生附加的反向电流IG, 设净产生率为G, 结面积A, 势垒宽度XD,IG=qGXDA,势垒区内,势垒区内净的复合率,净的复合率U=- G,由于IG=qGXDA,2.势垒区产生电流,正向偏压时，注入到P区电子与N区的空穴在势垒区内复合，构成正向复合电流。,假定复合中心与本征费米能级重合，令rp=rn=r,设势垒区n=p,总的正向电流密度JF=扩散电流JFD+复合电流Jr,m=2 复合电流为主，m=1 扩散电流为主,低电压时,Jr JFD,复合电流为主,高电压时,JFDJr,扩散电流为主,3.大注入情况,大注入：注入的非平衡少子浓度接近或超过多子浓度,P+n为例：
13、正向电流主要P+区注入n区的空穴电流，n区注入P+区的电子电流可忽略。,设注入空穴浓度pn(xn)很大， n区多子浓度nn0=ND为了保持n区电中性，n区的多子相应地增加同等数量pn(xn)= n(x).,电子浓度梯度=空穴浓度梯度,存在电子浓度梯度，使电子在空穴扩散方向上也发生扩散,通过nn界面的电流=电子电流密度Jn+空穴电流密度,总结：低电压时，m=2, 复合电流其主要作用；高电压时， m=1, 扩散电流其主要作用。,大注入时其电流电压关系为,6.3 pn结电容：,正向偏压增大时，使势垒区减小原因：n区的电子或p区空穴中和势垒区电离施主或电离受主，效果：相当于在势垒区“储存”了电子或空穴
14、。,正向偏压减小时，使势垒区增大原因：n区的电子或p区空穴从势垒区抽出，空间电荷数增多。效果：相当于势垒区“取出”电子或空穴。,势垒区的空间电荷数随外加偏压发生变化，等价于电容器的充、放电作用。,2. 扩散电容,正向偏压时，空穴(电子)注入n(p)区，在势垒边界处，积累非平衡少数载流子。,正向偏压增大时，势垒区边界处积累的非平衡载流子增多；正向偏压减小时，则相应减小。,由于正向偏压增大或减小，引起势垒区边界处积累的电荷数量增多或减小产生的电容称为扩散电容。,势垒电容和扩散电容均随外加偏压的变化而变化，均为可变电容,微分电容 pn结在固定直流偏压V作用下，叠加一个微小的交流电容dV时，引起电荷变
15、化dQ, 该直流偏压下的微分电容为,6.3.2 突变结势垒电容- 非线性的,1. 突变结势垒中电容的电场、电势分布,势垒区电荷密度分布：(X)=-qNA -xpx0; (X)=-qND, 0 xxn,势垒区：XD=xp+xp,整个半导体满足电中性条件： qNA xp= qND xp=Q,NA xp= ND xp,突变结势垒区宽度 XD为,无外加偏压时,外加偏压时,Q = qNAxp= qNDxp,无外加电压时单位面积的电荷量,有外加电压时,若Pn结面积为A,对p+n或n+p, 电容简化为,讨论：,1. C与结面积A和轻掺杂杂质浓度的平方成正比；,2. C与电压(VD-V)成反比，反向偏压越大，
16、势垒电容越小，,3. 正向偏压下势垒电容,CT(0)表示外加电压为零时的势垒电容,较深的扩散结，在pn结附近，近似为线性缓变结,势垒区空间电荷密度为(x)=q(ND-NA)=q jx,j为杂质浓度梯度,无外加偏压时，势垒区宽度,外加偏压下，势垒区宽度,不论杂质如何分布，在耗尽层近似下，等效为一个平行板电容,6.3.4 扩散电容,Pn结在正向偏压下，由于少子注入，在扩散区少子浓度随正向偏压的变化而变化，形成扩散电容,扩散电容随正向偏压指数式增长。,对pn结施加的反向偏压增大到某一数值VBR，反向电流突然迅速增大，这种现象称为PN结击穿。,PN结的击穿电压：击穿时的反向偏压。,电流突然迅速增大是由
17、于载流子数目急剧增大引起, 不是迁移率增大引起的.,反向偏压很大时, 势垒区的电场很强, 势垒区的电子和空穴受强电场作用, 动能很大.,当动能很大电子、空穴与势垒区晶格原子发生碰撞时，可将价健上电子激发到导带，产生电子-空穴对。,载流子的倍增效应：载流子在势垒区不断发生碰撞电离，使载流子大量增加的现象。,载流子大量增加， 使反向电流迅速增大。,2.,强电场下，使大量电子从价带穿过禁带而进入导带所引起的一种击穿现象。,反向偏压下，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场越强，势垒区能带越加倾斜。,当势垒倾斜很厉害时，使 N区的导带比P区的价带顶还低，使大量电子从价带穿过禁带而
18、进入导带所引起的一种击穿现象。,当内建电场为E时，价带电子得到附加势能 qEx;当qExEg时，p区价带顶电子与n区导带底电子具有相同能量，电子可以从价带顶直接渡越到导带， 发生隧穿。,对一定的半导体材料，势垒区电场E越大，或x越短，电子穿过隧道的概率p越大。,电场E增大到一定程度，或x短到一定程度，p区大量价带电子隧穿到n区导带，反向电流密度急剧增大， pn结隧道击穿。,若概率p=10-10， Si: Eg=1.12eV, x=3.1nm。,(NVA)越大， x 越小，隧道击穿概率P越大。隧道击穿与(NVA)密切相关。,(NVA)中，N 小，反向偏压V大时，容易发生雪崩击穿； 杂质浓度N大时
19、，隧道击穿为主。,3. 热电击穿,Pn结施加反向电压时，反向电流引起热损耗；反向电压越大，热损耗也越大。如果散热不畅，会引起结温升高。,反向电流随温度升高按指数规律增大，上升速度非常快。,结温升高，JS升高，热能迅速增大，使结温进一步升高，反向电流密度进一步增大。循环往复，Js无限增大，发生击穿。,5. Pn结隧道效应,两边重掺杂的PN结，其电压特性,1-2阶段：随电压增大电流迅速增大，达到峰值电流IP。对应峰值电压 VP.,2-3阶段：随电压增大电流发反而减小的现象称为负阻，极小值电流称为谷值电流Iv。电压称为谷值电压Vv.,当电压大于Vv后，电流又随电压的增大而增大。,VP Vv段电压增大
20、电流发反而减小的特性 称为负阻特性。,隧道结：重掺杂的P区和n区形成的结。,应用：制备各种隧道二极管。,负阻特性的应用：微波放大、高速开关、激光振荡源等。,P区费米能级进入价带；N区费米能级进入导带；,平衡时的能带图,N区导带与p区价带存在相同能量的量子态。 重掺杂，杂质浓度很高，势垒区很薄，电子：从np; 空穴：从p n。3.隧道电流产生。势垒宽度越小，电流越大。,隧道结中，扩散电流很小，隧道电流占主导。,平衡态无净电流流过,反向偏亚， p区价带电子隧穿导n区导带，产生反向隧道电流。,1-2阶段, 产生从n到p的隧道电流,2-3 负阻特性，n区到p的电子数减少，隧道电流减小。,隧道结利用多子的隧道效应工作的。,隧道二极管的特性：噪声较低： 单位时间通过结的多子数目起伏较小；工作温度范围大：温度对多子浓度影响小；可在高频下工作：电子越过结所需时间短，不受渡越时间的限制。,
