PN结原理

光电材料与半导体器件PN结光电材料与半导体器件本章内容5.1PN结的形成5.2PN结的单向导电性5.3PN结的击穿特性5.4PN结的电容效应5.5PN结的温度特性光电材料与半导体器件P型半导体和N型半导体相结合——PN结PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。PN光电材料与半导体器件在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散光电材料与半导体器件5.1PN结的形成扩散运动：空间电荷区展宽漂移运动：空间电荷区变窄多子的扩散和少子漂移运动达到动态平衡。P区和N区的掺杂浓度相同对称结耗尽层势垒区P(a)NP(b)N空间电荷区内电场UB电位U电子势能BqU光电材料与半导体器件NP＋耗尽区(a)PN＋耗尽区(b)不对称PN结如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.光电材料与半导体器件5.2PN结的单向导电特性PN结的单向导电性只有在外加电压时才会表现出来光电材料与半导体器件（一）、PN结加正向电压Ｐ－正,Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)PN结处于导通状态,表现为一个很小的电阻耗尽区内电场UUB－U＋－RE外电场正向电流IF扩散运动大于漂移运动多数载流子形成的扩散电流起支配作用少数载流子形成的漂移电流方向相反，很小，可忽略。光电材料与半导体器件（二）、PN结加反向电压将电源的正极接Ｎ区,负极接Ｐ区——PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)PN结处于截止状态,呈现出一个很大的电阻(高达几百千欧以上)。耗尽区内电场UUB＋URE＋－外电场漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流IS。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的光电材料与半导体器件综上所述：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。即PN结具有单向导电特性。关键在于耗尽层的存在光电材料与半导体器件UIOUB)1(TDUUSDeIIIDUBRPN结U-I特性曲线伏安特性方程加正向电压时，UD只要大于UT几倍以上，TDUUSDeII/加反向电压时，|UD|只要大于UT几倍以上，则ID≈–ISUT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mVPN结的伏安特性光电材料与半导体器件5.3PN结的击穿特性当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的反向击穿电压。电击穿热击穿PN结发生电击穿的机理可以分为两种——雪崩击穿和齐纳击穿光电材料与半导体器件（一）雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。光电材料与半导体器件（二）齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR4V时为齐纳击穿；UBR介于4~7V时，两种击穿都有。光电材料与半导体器件发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),不使其过大,以免因过热而烧坏PN结,当反向电压(绝对值)降低时,PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过PN结的电流变化时,结电压基本保持不变。光电材料与半导体器件5.4PN结的电容特性按电容的定义即电压变化将引起电荷变化,从而反映出电容效应。而ＰＮ结两端加上电压,ＰＮ结内就有电荷的变化,说明ＰＮ结具有电容效应。PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容CD两部分组成。dUdQCUQC或光电材料与半导体器件(1)势垒电容CB势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容的充电。当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容的放电。耗尽层中存贮的电荷量随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CB表示。WW+△W光电材料与半导体器件(2)扩散电容CD扩散电容是PN结在正偏时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。PN结正向偏置时，N区和P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布。P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。正向电压加大时，扩散增强，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电；相反，当正向电压减小时，扩散减弱，造成两个区域内电荷的减少，这相当于电容器放电。光电材料与半导体器件势垒电容随外加反向电压增大而增大；扩散电容随正向电压增大而增大。势垒电容和扩散电容都是非线性的电容光电材料与半导体器件PN结上的总电容Cj——结电容，是势垒电容与扩散电容之和。即Cj＝ＣB＋ＣＤ一般说来,PN结正偏时,扩散电容起主要作用,Ｃｊ≈ＣＤ；当PN结反偏时,势垒电容起主要作用,即Ｃｊ≈ＣB。光电材料与半导体器件5.5PN结的温度特性PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。ui0TT－UBR具体变化规律是：•温度升高反向击穿电压降低•温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。光电材料与半导体器件当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗材料约为(75~100)℃。光电材料与半导体器件杂质半导体N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电而得此名）：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。[1]P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此名）：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。