第六章pn结

6.1p-n结及其能带图6.2p-n结电流电压特性6.3p-n结电容6.4p-n结的击穿6.5p-n结隧道效应第六章pn结一、p-n结的形成和杂质分布p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn结。pn结利用控制杂质分布的工艺方法来实现§6.1p-n结及其能带图1．合金法用合金法制备的p-n结一般为突变结；xNNAND突变结的杂质分布xjP+n结pn用扩散法制备的p-n结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。2．扩散法0xN(x)NA(x)NDxj扩散结杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定pn线性缓变结：在扩散结中，杂质分布可用x=xj处的切线近似表示。xxjND-NA线性缓变结近似扩散结的杂质分布但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似0xNANDN(x)突变结近似扩散结的杂质分布xj{突变结缓变结pn结{合金结高表面浓度的浅扩散结（p+n或n+p)根据杂质分布低表面浓度的深扩散结二、空间电荷区二、空间电荷区三.Pn结能带图四.Pn结接触电势差四.Pn结的载流子分布VD－－平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差qVD－－相应的电子电势能之差，即能带的弯曲量，称为pn结的势垒高度势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差，使平衡pn结的费米能级处处相等。pFnFDEEqV)()(0xxnx-xpV(x)VD平衡pn结中电势取p区电势为零对电子：P区电势比n区电势高DDnpqVqVxqVxqV0)]([)(xqV(x)平衡pn结中电势能EvppnEFEvnEcn-xpoxxnEcp-qVD§6.2p-n结电流电压特性一.非平衡状态下的pn结1.外加电场下，pn结势垒的变化及载流子的运动2.外加直流电压下，pn结的能带图二.理想pn结模型小注入条件－注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多突变耗尽层条件－注入的少子在p区和n区是纯扩散运动通过耗尽层的电子和空穴电流为常量－不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用玻耳兹曼边界条件－在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布求解理想p–n结伏安特性方程的基本思路：–根据准费米能级计算势垒区边界及处注入的非平衡少数载流子浓度；–以边界及处注入的非平衡少数载流子的分布；–将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散密度后，再算出少数载流子的电流密度；–将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想p–n结模型的电流电压方程式，即伏安特性方程。肖克莱方程：1.势垒区的产生电流热平衡时载流子的产生率＝复合率反向偏压载流子的产生率复合率总反向电流密度J反＝J扩＋J产三.pn结电流电压特性偏离理想方程的因素以p+n结例：Ge:Eg小，ni2大，反向电流中扩散电流主要Si:Eg大，ni2小，反向电流中势垒产生电流主要V,XD,JG不饱和，J反缓慢增加2DiGXqnJ势垒区的产生电流XD势垒区宽度反向扩散电流密度DpipNLnqDJ2＝反扩2.势垒区的复合电流正向偏压，从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成了另一股正向电流。总正向电流密度J正＝J扩＋Jr复合电流密度JrKTqVXqnJDir22PNΕ内+－)(nprr)2exp(2)exp(KTqVXKTqVNnDqnJpDDippi＝正正向电流密度的经验公式21,expmmKTqVJ正时和KTqVnppn00扩散电流与复合电流之比与V有关KTqVJJr2exp扩V，J扩/Jr迅速，低V时,JrJ扩V，J扩/Jr迅速，高V时,JrJ扩J/Js实际pn结的电流电压特性3.大注入情况正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近或超过该区多子浓度的情况例如：p+n结在大注入情况下的电流电压关系)2exp()2(KTqVLnDqJpip§6.3p-n结电容低频，pn结有整流作用；高频，无整流作用pn结电容破坏整流特性pn结电容包括：势垒电容和扩散电容1.势垒电容平衡pn结势垒区正偏时势垒区变窄正偏V,空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区正偏V,空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出反偏V,空间电荷，部分电子和空穴从势垒区中取出反偏V,空间电荷，部分电子和空穴存入势垒区势垒区的空间电荷数量随外加V而变化，和一个电容器的充放电作用相似，这种pn结的电容效应称为势垒电容。势垒电容是可变电容，可引入微分电容的概念来描述VQCddC随V变突变结的势垒电容（反向偏压）))((20VVNNNqNACDADDArTVD是突变结接触电势差A是pn结面积XD势垒宽度DADArDDNNNNqVX02突变结的势垒电容（正向偏压）DDADArTVNNNqNAC)(240DrTXAC0反偏时突变结势垒电容等效为平行板电容器的电容线性缓变结的势垒电容（反向偏压）3202)(12VVqACDjTrj杂质浓度梯度DrTXAC030)(12jDrDqVVX反偏时线性缓变结势垒电容等效为平行板电容器的电容突变结和线性缓变结的CT与V有关制成变容器件测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度2.扩散电容P电子扩散区结区空穴扩散区Nxp’xpxnxn’+_正偏V,势垒宽度扩散区内,注入进来的空穴和电子数目增加正偏V,势垒宽度扩散区内,注入进来的空穴和电子数目减少)exp((002KTqVKTLpLnAqCpnnpD低频、正向偏压时，总的微分扩散电容正偏时，由于少子的注入，在扩散区内,都有一定的数量的少子的积累，且其浓度随正向偏压的变化而变化，形成了扩散电容对p+n结KTqVkTLpAqCpnDexp02只适用于低频情况大正向偏压时，扩散电容起主要作用VBR§6.4pn结的击穿反向电压使结区电场达105V/cm，反向饱和电流不再恒定，而是突然增加，这种现象称为p-n结的击穿，对应的电压称为击穿电压，用VBR表示。VJJs击穿时，载流子数目增加，电流增大击穿机理雪崩击穿隧道击穿热电击穿1．雪崩击穿雪崩击穿一般发生在缓变结中，而且掺杂浓度比较低。212212pn+载流子的倍增2．隧道击穿•EcnEcpEvp（齐纳击穿）大反向偏压下pn结的带图Eg反向V,势垒，能带越倾斜Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导致隧道击穿的因素。3．热电击穿热击穿容易发生的条件是Eg小，散热不好的器件。T,Js按指数规律迅速上升§6.5pn结隧道效应重掺杂1019/cm3，这种强p型、强n型材料形成的p+-n+结称为隧道结。1．隧道结的能带结构EcEvEF+pnxDEg－热平衡pn2．隧道结的伏安特性JVJpJvVvVp054321隧道结利用多子隧道效应工作隧道二极管的噪声低隧道二极管的工作温度范围大隧道二极管可在极高频率下工作用处微波放大、高速开关、激光振荡源等本章重点1.空间电荷区2.平衡p–n结3.势垒区：4.理想p–n结条件：5.势垒电容：6.扩散电容：