第八章PN结2.

123412/18/20194§8.1PN结的形成及能带结构一.热平衡时的PN结1.PN结的形成源于载流子的运动浓度差多子的扩散运动空间电荷区（PN结）自建电场少子漂移热平衡载流子的扩散=载流子漂移PN结的宽度或势垒高度不再变化，载流子的运动达到动态平衡512/18/20195漂移运动自建电场E使扩散走的少子（P区电子、N区空穴）又要作漂移运动，与扩散方向相反。热平衡载流子的漂移和扩散运动达动态平衡，耗尽区宽度不再变XNXPNPE耗尽区宽度XD自建电场扩散运动p和n区两种载流子浓度不等，浓度差产生载流子扩散运动.n区电子向p区扩散，p区空穴向n区扩散。载流子走了留下带正电的施主aa和带负电的受主离子，在交界处积累电荷，形成电偶极层（自建电场）方向从n区指向p区，阻止扩散612/18/20196空间电荷区是耗尽、高阻区宽度约零点几~几十μmp-n结空间电荷区、阻挡区、耗尽区，从能带角度讲称为势垒区。硅：自建电场约0.6~0.8V锗：自建电场约0.2~0.3V712/18/201972.平衡时的P-N能带结构两种半导体的交界面能带发生弯曲（P-N或势垒区）形成一定高度的势垒。热平衡，系统有统一的费米能级！qVDEF随着扩散：n区的费米能级不断下降，p区的费米能级不断上升，整个能带均随着变化，造成p-n结能带的弯曲，达到平衡后，势垒高度则不再变化。891011121314151617181912/18/201919§8.2非平衡态的PN结平衡态：PN结无净电流通过，系统有统一的费米能级。非平衡：PN结有净电流，系统没有统一的费米能级。一.PN结正偏势垒降低，扩散运动漂移,大量载流子通过势垒区，低电阻，正向导通E自1.正偏下的PN结Pp0nnopxnx+-空穴扩散npoPn0电子扩散电子漂移空穴漂移E外2021反向抽取正向注入非平衡少子的分布232412/18/201925稳态时，空穴扩散区中非少子的连续性方程0022pnnnpnpnpppdxdEpdxpdEdxpdD0022pnnnpppdxpdD1.扩散区中非平衡少数载流子的浓度分布函数二.理想p-n结的电流电压方程(肖克莱方程)小注入时，空穴扩散区中E=0，12/18/201926ppnnnLxBLxApxpxpexpexp0TkqVpxpxxppxnnnnnn000exp;时时，，通解边界条件：0exp1exp00BLxTkqVpApnnpnnonnnLxxTkqVppxpxpexp1exp00代入中得到空穴扩散区非子浓度：npppppLxxTkqVnnxnxnexp1exp000272812/18/2019291exp00TkqVLpqDdxxdpqDxJpnpxxnpnpn1exp00TkqVLnqDdxxdnqDxJnpnxxpnpnp2.势垒区边界处载流子的扩散电流密度小注入，扩散区中无电场，x=xn处，空穴扩散电流密度：同理，x=-xp处，Jn为:12/18/2019301exp)(000TkqVLpqDLnqDxJxJJpnpnpnnppn3.理想p-n结的电流电压方程肖克莱方程00nppnsnpqDnqDpJLL令:0exp1sqVJJkT则:Js饱和电流根据假设，势垒区的复合-产生可略，过p-n结总电流密度为：12/18/201931反偏，V0，当q│V│0时，1exp0TkqVTkqVJJs0exp4.讨论因为室温，一般外加正偏压约零点几伏，反向电流密度为常量，与电压无关，反向截止。　　)(00pnpnpnsLpqDLnqDJJ0exp0TkqV（1）理想p-n结的整流效应正偏，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大，正向导通Js:反向饱和电流密度1exp)(000TkqVLpqDLnqDxJxJJpnpnpnnppn12/18/201932理想p-n结的J-V曲线：正向及反向偏压下曲线不对称pn结具有单向导电性或整流效应非线性理想PN结的伏安特性12/18/201933TkETTkETTNnDqLnqDJggAinnnpns02303222/10expexp)(TkEg0exp但起决定作用的是指数项（3）温度对电流密度的影响0exp1sqVJJkT00nppnsnpqDnqDpJLLJs：Dn、Ln、np0均与T有关。设：Dn/τn与T成正比，γ为常数，Js中任一项均与T的有关12/18/201934Js随温度升高而迅速增大，Eg越大的半导体，Js变化越快Eg也是温度的函数Eg=Eg(0)+βT，设:绝对零度时的禁带宽度Eg(0)=qVg0即：导带底和价带顶的电势差。加正向偏压VF时，正向电流密度与温度关系为：TkVVqTJgFs0023exp所以：正向电流密度随温度上升而增加。12/18/20193512/18/201936PN结的伏安特性a段正向电流较小，理论值比实际值小。c段正向电流较大反偏,实际反向电流比理论大得多,反向电流不饱和随反向偏压增大略增。b段J-V关系理论值与实际值相吻合。TkqVXqnJDir02exp2d段J-V关系不呈指数接近线性书：15812/18/201937影响p-n结电流电压特性的各种因素38阅读39404142434445464712/18/201948§2.4PN结的电容特性dVVdQCJ)(pn结电容：CT势垒电容，CD扩散电容。在固定直流偏压作用下，叠加一微小的交流电压dV时这个微小电压变化dV所引起的电荷变化dQ，称此直流偏压下的微分电容。pn结的势垒和扩散电容都随外加电压而变，为可变电容，定义微分电容来表示：随外加电压变化，pn结的势垒宽度和都边界处的载流子浓度都会变，可看成是对pn结的充放电。2.势垒电容CT势垒电容是由阻挡层内电离杂质构成的空间电荷引起。外加电压使阻挡层变宽时电荷量增加；反之电荷量减少。即阻挡层中电荷量随外加电压变化而变，形成电容效应，类似平板电容器。CT=dvdQεrε0=XdXd（V）势垒宽度＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－WW＋WU＋UXd`Xd-+P+Nxd单边突变P+N结势垒电容dDxqANQAxCd＝12/18/201949书：1673.扩散电容CDxO2Qnp1ＰＮ结正偏，多子在扩散过程中引起载流子电荷积累而产生。若ＰＮ结正偏加大，多子扩散加强，电荷积累,电荷增量为ΔＱ；反之积累电荷减少。扩散电容示意图CD=CDp+CDnq2(np0Ln+pn0Lp)kTeqV/kT=12/18/20195051525354当反向电压增加到一定数时，反向电流突然急剧增大，称为PN结的反向击穿。击穿分类热击穿：不可恢复；电击穿：可恢复；又可分为雪崩击穿；齐纳击穿四.PN结的击穿特性4.1.PN结的击穿IvUBR12/18/2019击穿原因：不是由于迁移率的增加，而是由于载流子数目的增加。反向电压较高（U6V），PN结中内电场较强，参加漂移的载流子受到加速，与中性原子相碰，产生新的电子空穴对也被加速，形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增。从能带观点来看，就是势垒区中高能量的电子和空穴把价带中的电子激发到导带，产生了剧增的电子–空穴对。2.雪崩击穿12/18/20195612/18/2019575859对掺杂浓度高的半导体（简并半导体），PN结的耗尽层很薄，势垒很陡。若反向电压（U4V）不高，耗尽层可获得很大的场强，将价电子从共价键中拉出来，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。隧道击穿完全是一种量子效应。4.2.齐纳击穿（隧道击穿）12/18/201960大反向偏压下pn结的能带图pn结的三角形势垒2.隧道击穿在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带，所引起的击穿。隧道击穿也称齐纳击穿随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加倾斜，∆x将变得更短。当反向偏压达到一定数值。∆x短到一定程度时，量子力学证明，p区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达n区导带中。62在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的在重掺杂的情况下，隧道击穿是主要的NVA越大，∆x越小，P就越大，也就越容易发生隧道击穿。杂质浓度较低时，必须加大的反向偏压，才能发生隧道击穿。杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长不利于隧道击穿，却有利于雪崩倍增效应。646566隧道结：由重掺杂的p区和n区形成的pn结隧道结的电流电压特性隧道结热平衡时的能带图隧道结中：正向电流=扩散电流+隧道电流在较低的正向电压下，隧道电流是主要的隧道电流随外加电压的变化：a..加一小的电压V，n区能带相对于p区将升qV，结两边能量相同的量子态中，p区价带的费米能级以上有空量子态，而n区导带的费米能级以下有量子态被电子占据，电子可穿过隧道进入p区形成正向隧道电流。b.继续升高电压，势垒高度不断下降，有更多的电子从n区穿过隧道到p区的空量子态，使隧道电流不断增大。C.再增大正向电压，势垒高度进一步降低，在结两边能量相同的量子态减少，隧道电流减小。d.正向电流增大到Vv使n区导带底和p区价带顶一样高，隧道电流为零。实际上此时正向电流并不完全为零而是有一个很小的谷值电流，它的数值要比谷值电压下的正向扩散电流大得多，称为过量电流。产生过量电流的原因：简并半导体能带边缘的延伸对硅、锗pn结，正向电压大于时，扩散电流就成为主要的，隧道结和一般二极管的正向特性一样。加反向偏压时,p区能带相对n区升高，结两边能量相同的量子态中，p区价带的费米能级以下量子态被电子占据，而n区导带的费米能级以上有空量子态，因此p区价带的电子可穿过隧道进入n区形成反向隧道电流，随反向电压的增加p区价带中可以穿过隧道的电子数大大增加，反向电流迅速增大。707172737475767778798081828384858687888990919293