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1、第六章 pn结,半导体二极管,发光二极管,光电池,光电二极管,光敏二极管符号 光敏二极管接法,pn结的重要性质 电流电压特性 电容效应 击穿效应,主要研究内容,6.1.1 pn结的形成和杂质分布,利用掺杂工艺，将一块半导体的一侧掺杂成p型，另一侧掺杂成n型，p区与n区的交界面就形成了pn结。,n型,pn结,常用的方法,合金法 扩散法,The simplest method of producing an oxide layer consists of heating a silicon wafer in an oxidizing atmosphere.,pn结的杂质分布,1.合金法（突变结）,
2、pn结的杂质分布,2.扩散法（缓变结） 线性缓变结 , 杂质浓度梯度,ND,NA (x),N(x),x,p n,6.1.2 空间电荷区,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动. 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。,阻止多子扩散,利于少子漂移,pn结形成的物理过程, 多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散 交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子， 交界面处出现由数量相
3、等正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内电场EIN。, 内电场阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场EIN增强,少子漂移,促使,阻止,空间电荷区变窄内电场EIN削弱,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,小结： PN结中同时存在多子的扩散运动和,少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零。,6.1.3 pn结能带图,EC EFn EV,EC EFp EV,p型半导体能带图,n型半导体能带图,平衡pn结能带图,p区能带相对向上移 n区能带相对向下移 费米能级相等， pn结达平衡状态，没有净电流通过
4、。,势垒高度：qVD = EFnEFp,EF,qVD,qVD,空间电荷区,EC,EV,势垒高度,电子电势能 增加的方向,空穴电势能 增加的方向,势垒区,在pn结的空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势能变化的结果。 因能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达p区； 同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从p区到达n区 这一势能“高坡”通常称为pn结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。,利用爱因斯坦关系 因为 所以,则 而本征费米能级的变化与电子电势能的变化一致，所以,带入上式得 或,同理可得 或 表示了费米能级随位置的变化和电流密度的关系,对
5、于平衡pn结，电子电流和空穴电流均为0，因此 当电流密度一定的时候，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小； 载流子浓度小的地方，EF随位置变化大。,6.1.4 pn结接触电势差,平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差VD称为pn结的接触电势差或内建电势差 qVD称为pn结的势垒高度 对于非简并半导体，n区和p区的平衡电子浓度,，,两式相除取对数得 因为 所以,VD与pn结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽度有关。 掺杂浓度越大，VD越大 禁带宽度越大，VD越大 室温下硅的VD0.7V，锗的VD0.32V。,6.1.5 pn结的载流子分布,取p区电势为0，势垒区内一点x的电势V(x)，对应电子电势
6、能为E(x) = -qV(x)。 势垒区边界xn处的n区电势最高为VD，对应电势能E(xn) = Ecn = -qVD。 对于非简并材料,令 则上式变为,因为E(x) = -qV(x) 而Ecn= -qVD，所以,当x=xn，V(x)=VD，所以 当x=-xp，V(x)=0，所以p区平衡少数载流子浓度为,同理，可以求得x点处的空穴浓度为 当x=xn，V(x)=VD，所以,当x=-xp，V(x)=0，所以p区平衡多数载流子浓度为 或 载流子在势垒两边的浓度关系服从玻尔兹曼分布。,p n x,npo,nno,pno,ppo,n(x),p(x),平衡p-n结中载流子的分布,利用上述公式计算电势能比n
7、区导带底高0.1eV的点x处的载流子浓度，假设势垒高度为0.7eV，则 载流子浓度比n区和p区的多数载流子浓度小得多,因此势垒区也称为耗尽区。,6.2.1非平衡态下的pn结,外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的流动。 外加直流电压下，pn结的能带图,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,1.外加正向电压,电子通过势垒区扩散进入p区，在边界pp(x=-xp)处形成电子的积累，成为p区的非平衡少数载流子 结果使pp处的电子浓度比p区内部高，形成了从pp处向p区内部的电子扩散流
8、。 非平衡载流子边扩散边复合，经过比扩散长度大若干倍的距离后，全部被复合。 这一段区域称为扩散区。,非平衡载流子的电注入,在一定的正向偏压下，单位时间内从n区来到pp处的非平衡少子浓度是一定的，并在扩散区内形成一稳定的分布。 在pp处有一不变的向p区内部流动的电子扩散流。 同理，在边界nn处也有一不变的向n区内部流动的空穴扩散流。 当增大偏压时，势垒降得更低，增大了流入p区的电子流和流入n区的空穴流 这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的
9、，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,2.外加反向电压,n区边界nn处的空穴被势垒区的强电场驱向p区，而p区边界pp处的电子被驱向n区。 当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成了反向偏压下的电子和空穴扩散电流， 这种情况好象少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子的抽取,非平衡pn结的能带图,非平衡pn结的能带图与平衡pn结有两点不同: 一是势垒高度由qVD变为q(VD-V) 二是非平衡pn结不再具有统一的费米能级，即产生了电子准费米能级和空穴准费米能级。,6.2.2 理想pn结模型及其电流电压方程,理想pn结条件： 小注入条件注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度
10、小得多； 突变耗尽层条件外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动,通过耗尽层的电子和空穴为常量，不考虑耗尽层中的产生和复合作用。 玻耳兹曼边界条件在耗尽层两端，载流子的分布满足玻耳兹曼统计分布。,计算电流密度方法 根据准费米能级计算势垒区边界nn和pp处注入的非平衡少数载流子浓度 以边界nn和pp处注入的非平衡少数载流子浓度作为边界条件，解扩散区中载流子连续性方程，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布 将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出扩散流密度，再算出少数载流子的电流密度
11、 将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式,p区载流子浓度与准费米能级的关系,，,pp处，x=-xp，EFn-EFp=qV，因而 因为,正向偏压时，EnF EpF,反向偏压时，EpF EnF,代入可得 由此注入p区边界pp处的非平衡少数载流子浓度为,同理可得注入n区边界nn处的非平衡少数载流子浓度为 可见注入势垒区边界pp和nn处的非平衡少数载流子是外加电压的函数。 以上两式为解连续性方程的边界条件。,在稳态时，空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程 小注入条件下，电场变化项可以忽略，n扩散区|Ex|=0，故,根据边界条件 可求得,同理可得 小注入条件下，x=xn处，空穴的扩
12、散电流密度,同理，x=-xp处，电子的扩散电流密度 若忽略势垒区的产生-复合作用，通过pn结的总电流密度为,代入可得 令,理想pn结模型的电流电压方程式 肖克莱方程式,1.pn结具有单向导电性 正向偏压下，电流密度随电压指数增加，方程可表示为 反向偏压下,p-n结具有单向导电性或整流效应。 在正向偏压下，正向电流密度随着正向偏压呈指数关系迅速增大。 在反向偏压下，J=-Js，即反向电流密度是常量，与外加电压无关。 故称Js为反向饱和电流密度。,2.温度对电流密度的影响很大,6.2.3 影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素,理论与实验结果间的差别 正向偏压 正向电流小时,理论计算值比实验
13、值小 正向电流较大时,曲线c段 曲线d段,电流电压不是指数关系,是线性关系. 反向偏压 反向电流比理论计算值大得多 而且反向电流是不饱和的,随反向偏压的增大略有增加.,引起差别的主要原因: 势垒区的产生及复合 表面效应 大注入的条件 串联电阻效应,势垒区产生的电流,pn结处于热平衡状态时，势垒区内通过复合中心的载流子产生率等于复合率。 当pn结加反向偏压时，势垒区内的电场加强，所以在势垒区，由于热激发的作用，产生的电子空穴对来不及复合就被强电场驱走了 势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率，具有净产生率，从而形成另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流。,以p+n结为例比较势垒区产生电流与
14、反向扩散电流的大小 势垒区产生电流密度 以p+n结反向扩散电流密度,对Ge, 禁带宽度小,本征载流子大,反向扩散电流密度大于势垒区产生电流密度. 在反向电流中,反向扩散电流起主要作用 对Si, 禁带宽度大,本征载流子小,反向扩散电流密度小于势垒区产生电流密度. 在反向电流中,势垒区产生电流起主要作用,由于势垒区宽度随反向偏压的增加而变宽 所以势垒区产生电流是不饱和的. 随着反向偏压的增加而缓慢增加.,势垒区的复合电流,在正向偏压下，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，称为势垒区复合电流。,大注入情况,外加电压的一部分降在空穴扩散区，它形成的
15、电场产生空穴漂移电流。 在空穴扩散区同时存在扩散电流和漂移电流。,6.3 pn结电容,pn结具有一定的电容效应 1、势垒电容 2、扩散电容,1. 势垒电容,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,当pn结加正向偏压时，势垒区宽度变窄，空间电荷数量减少。 空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的，所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主。 这就是说，在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区。,反之当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”。 对于加反向偏压的情况，可
16、作类似分析。 总之，pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这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，以CT表示。,PN结正偏时，电子（非平衡少子）由N区扩散到P区。 刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，到远离交界面处，形成一定的浓度梯度分布曲线。 电压增大，扩散电流增大。,2.扩散电容,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。 当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同(相当于电容的充放电)。 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。 势垒电容在正偏和反偏时
