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1、,第六章 pn结,6.1 pn 结及其能带图6.2 pn结电流电压特性6.3 与理想情况的偏差*（了解）,据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格,6.1 pn 结及其能带图,1 p-n 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型，在二者的交界面处形成了pn结。,6.1 pn 结及其能带图,n结二极管的制备,冶金结的位置,杂质浓度随位置的变化曲线,6.1 pn 结及其能带图,理想化的杂质分布近似,突变结,线性缓变
2、结,杂质分布 xxj, N(x)=ND,（x)=qax 0,6.1 pn 结及其能带图,2. pn 结的形成过程和电荷再分配,(a)孤立的p型和n型区域（b）pn结接触，p区空穴扩散到n区，在p 区边界剩下NA-；n区电子扩散到p区， 在n边界剩下ND+ (c) NA-,ND+形成内建电场，方向从np (d) 内电场的作用下，载流子漂移（e) 扩散流=漂移流，总电流为0，达到热 平衡（f)空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布 达到稳定。,3. pn结热平衡时的能带图,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
3、 pn 结及其能带图,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,4. pn结中电场、电势和电荷分布,内建电势Vbi：热平衡条件下的耗尽区电压称为内建电势，它是一个非常重要的结常数。,6.1 pn 结及其能带图,势垒高度qVbi势垒宽度xD=xn+xp,6.1 pn 结及其能带图,5.耗尽近似,耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似，包含两个含义：（1）在冶金结附近区域，-xpxxn,与净杂质浓度相比，载流子浓度可忽略不计（2）耗尽区以外的电荷密度处处为0。,6.1 pn 结及其能带图,6.2 pn结电流电压特性,将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数之间建立定性和
4、定量的关系。 6.2.1 定性推导： 分析过程，处理方法 6.2.2定量推导： 建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。分析实际与理想公式的偏差,0偏,正偏,反偏,1.热平衡状态,6.2.1 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,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
5、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,正偏时的能带/电路混合图,6.2.1 定性推导,3.反向偏置： 势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成少子漂移流，同理n区的空穴漂移形成IP，因与少子相关，所以电流很小，又因为少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。,6.2.1 定性推导,反偏时的能带/电路混合图,6.2.1 定性
6、推导,6.2.1 定性推导,n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,6.2.2 定量求解方案,理想p-n结，满足以下条件的p-n结 （1）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 p=n0 -xpxxn (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn （3）二极管是一维的,（4）小注入条件：p区：npp0 n区：pnn0(5) 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，来不及产生与复合，故通过 势垒区的电流为常数。,6.2.1 定性推导,方法步骤：（1）扩散方程（2）边界条件（3）求解方程得到少子分布函数表达式
7、（4）由少子分布函数求出流过pn结的电流,6.2.1 定性推导,6.2.1 定性推导,6.2.1 定性推导,由pn结定律得耗尽层的边界条件,P区,n区,6.2.1 定性推导,边界条件,欧姆接触边界条件,6.2.1 定性推导,6.2.3严格推导,n区,区,6.2.3严格推导,正偏时的过剩少子浓度分布,6.2.3严格推导,6.2.4 结果分析,非对称结中，重掺杂一侧的影响较小，可忽略,6.2.4 结果分析,（4）载流子电流,6.2.4 结果分析,（4）载流子浓度,6.2.4 结果分析,0偏,正偏,反偏,讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化,6.2.4 结果分析,例题2,将电压VA=23.
8、03kT/q 加在一个突变二极管上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边界10倍和20倍扩散长度的位置,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,6.3 与理想情况的偏差,击穿,Si pn结的I-V特性曲线,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
9、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。,6.3 与理想情况的偏差,2、反向偏置的击穿,当反向电流超过允许的最大值（如1mA或1A）时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR.对于p+n和n+p突变结二极管中，击穿电压主要由轻掺杂一边的杂质浓度决定,6.3 与理想情况的偏差,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,雪崩倍增是主要击穿过程,6.3 与理想情况的偏差,雪崩击穿和齐纳击穿,小的
10、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。,6.3 与理想情况的偏差,齐纳击穿,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、势垒宽度小于10-6cm,隧穿过程示意图,6.3 与理想情况的偏差,反向偏置pn结二极管中隧穿过程的示意图,6.3 与理想情况的偏差,二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺杂一侧的杂质浓度高于1017cm,齐纳过程比较显著，对应的二极管的击穿电压比较小，当VBR6Eg/q,齐纳
11、过程对二极管的击穿电流有明显贡献，当VBR4Eg/q,齐纳过程起主导作用。雪崩击穿电压随温度升高而增加齐纳击穿占主导时，击穿电压随温度升高而减小。,6.3 与理想情况的偏差,-n结平衡时，势垒区复合中心的产生率等于复合率（1）反向时，势垒区电场加强，耗尽层中载流子的浓度将会下降低于平衡值，导致耗尽层中电子-空穴的产生，复合中心产生的电子、空穴来不及复合就被强电场扫出势垒区，形成产生电流IG-R, 因此增大了反向电流 IG-R随反向电压增加而增加，总反向电流IR=Is+IG-R 势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生的电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。,3势垒区的产生与复合
12、电流,6.3 与理想情况的偏差,（2）在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值，导致耗尽区载流子的复合。而形成正向复合电流IG-R 总的正向电流密度IF= IR-G+IDIFF。 当V小时，IR-G占主要地位（a段）；当V大时，扩散电流占主要地位（b 段）（3）,与材料有关，与温度有关。,4正向大注入效应,当正向偏压比较大时，注入的少子浓度可以相当大，以至 pn(xn) nn0 pp(-xp)pp0 接近或超过原多子浓度。 由于介电驰豫作用，要保持电中性，也有同样浓度的多子积累： pn(xn)= nn(xn) ; pp(-xp)= np(-xp) 注入的非平衡载流子向体内扩散，但由于电
13、子和空穴的扩散系数不同，又破坏了电中性，在扩散区内产生自建电场，此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动，同时又加快扩散得慢的空穴的运动，从而使两者的浓度梯度基本保持一致。,6.3 与理想情况的偏差,扩散区内的自建电场的形成，也就使扩散区 内存在一定的电压降Vp和Vn ,这一电压降实际上就使真正落在耗尽区的正向电压V减少为VJ=V-Vp-Vn,从而使正向电流比理想情况下电流小 注入越大，VJ减小得越厉害，其具体计算可得 IFexp(qV/2kT),6.3 与理想情况的偏差,在势垒区和扩散区之外的电中性区，实际总存在一定的串联电阻Rs，因此当外加电压加在p-n结之后，会有一定的电压降IRs,所以加在势垒区的电压为V-IRs,从而使p-n结的正向电流比理想情况减小，如果Rs较大，则当电流很大时，IRs=V,这时p-n结的正向I-V特性就近似于线性了。减小Rs的方法是尽量减小中性区的厚度，外延生长结能比较好地解决此问题。,5串联电阻效应,6.3 与理想情况的偏差,6.3 与理想情况的偏差,
