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1、1,电子器件基础,湖南大学电子科学与技术专业,2,第1章 PN结二极管,PN结是结型半导体器件的心脏； 在制造晶体二极管，晶体三极管和场效应晶体管等结型器件时，其主要工艺就是制造性能良好的PN结； 深入地了解和掌握PN结的基本理论是学习晶体管等结型器件原理的基础。,3,1.1 PN结杂质浓度分布 1.2 平衡PN结 1.3 PN结空间电荷区电场和电位分布 1.4 PN结势垒电容 1.5 PN结直流特性 1.6 PN结小信号交流特性与开关特性 1.7 PN结击穿特性,本章内容：,4,掌握PN结的形成、杂质分布，空间电荷区的能带、电场、电位分布，直流特性的物理机理和数学表达式，电容和小信号交流特性
2、，开关特性和击穿特性； 理解泊松方程、连续性方程、电荷控制方程的物理意义和解法。,本章要求：,5,第1节 PN结杂质浓度分布,p (n),PN结的结构,在n(p)型半导体上以适当方法(合金、扩散、外延、注入)掺入p(n)型杂质形成pn结,6,合金法形成PN结,N-Ge,N型衬底与P型再结晶层杂质均匀分布，在分界处浓度突变。,7,突变结,单边突变结： NAND P+N结 NDNA N+P结 衬底材料为低杂质浓度,PN结两边杂质均匀分布，杂质浓度NA(P区)、ND (N区) 为常数，在PN结交界处(xj ) 突变。 N (x) = NA x xj,8,扩散法形成PN结,根据扩散工艺中杂质源的不同，
3、杂质浓度分布有两种形式 ：,N-Si,9,（1）恒定源扩散,表面杂质浓度恒定不变，杂质分布为余误差分布：,10,（2）限定源扩散,N(xj) = 0 时，得扩散结深：,Q为扩散杂质总量，表面浓度,杂质总量限定，杂质浓度分布为高斯分布：,11,缓变结,PN结两边杂质分布变化； xj 处杂质缓慢变化； 表面浓度NS高； 衬底材料浓度NBC最低。,线性缓变结： PN结交界处（xj）杂质浓度缓慢变化为线性关系。,12,扩散结杂质浓度梯度,杂质浓度在结深 xj 处变化的程度，用j表示：,对余误差分布有： 对高斯分布有：,如NS小， xj大，则j小，可作线性缓变结近似。 如NS大， xj小，则j大，可作突
4、变结近似。,13,第2节 平衡PN结,1 空间电荷区,P型：杂质原子 空穴正电荷 + 负离子电荷 N型：杂质原子 电子负电荷 + 正离子电荷 处于电中性平衡状态，ni2 = pp np = nn pn,没有任何外加作用的PN结,14,交界处附近，P区的空穴向N区扩散，留下负离子电荷受主离子电荷（杂质原子放出空穴即接受电子）； N区的电子向P区扩散，留下正离子电荷施主离子电荷（杂质原子放出电子）。,在一块半导体不同区域通过工艺形成P型和N型,空间电荷区,15,自建电场E：在PN结形成时，空间电荷区正、负电荷之间建立电场，方向为N指向P。,16,动态平衡：载流子的扩散运动（杂质浓度梯度决定）和漂移
5、运动（电场决定）作用相等，净电流为 0。,17,2 能带图 反映材料的导电特性,单独的P、N型半导体， 禁带宽度Eg反映材料导电能力的大小； 费米能级EF反映材料的导电类型和掺杂浓度的大小。,18,平衡态PN结,PN结无外加作用，可证明有统一的费米能级EF （见书P7） ； 电场E使能带弯曲qVD 势垒高度(势垒区) ； 空间电荷区能量变化，两端有电势差VD 接触电势差； 空间电荷区外无电场，能量与电势不变。,19,自建电场： (x)：PN结的电势分布函数,能级变化：,20,3 接触电势差VD,势垒高度等于N型区与P型区的费米能级之差 能带弯曲程度等于费米能级移动的距离,推导可得：,21,4
6、载流子浓度,推导可得：,且有如下关系：,22,第3节 PN结空间电荷区电场和电位分布,杂质分布电场和电位分布PN结的特性； 讨论两种典型情况：突变结，线性缓变结。,耗尽层近似： 1、空间电荷区内不存在自由载流子，只有施主离子和受主离子，即自由载流子耗尽； 2、空间电荷区边界“突变”，边界及以外的中性区电荷为零。,23,根据电学高斯定律，推导出泊松方程：,一维：,即电势、电场与电荷（杂质）的关系，与材料有关。 电子器件分析的基本方程,24,1 突变结,25,利用边界条件求解泊松方程（积分）,26,电场分布：,最大电场：,27,电中性条件： 空间电荷区两侧正、负电荷总数相等,单边突变结：,28,电
7、位分布,对电场积分得：,边界处电位：,总电压：,29,空间电荷区宽度,可推得：,30,2 线性缓变结,31,电势分布：,总电压：,空间电荷区宽度：,32,3 耗尽层近似讨论,耗尽层近似存在哪些局限?,33,P+N单边突变结可推得：,34,第4节 PN结势垒电容,VA变化，xm变化， Q变化 势垒电容:,正向电压值增加（反向电压值降低），势垒宽度xm减小，载流子注入与空间电荷中和，空间电荷Q 减少，CT充电。 正向电压值降低（反向电压值增加），势垒宽度xm增加，载流子从势垒区放出，空间电荷Q 增加，CT放电。,35,1 突变结势垒电容,可推得：,CT 相当于可变的平行板电容，与A成正比，与xm(
8、随VA变化)成反比； NBC低，xm宽，CT小； A大，CT大； 正偏CT大，反偏CT小。,36,2 线性缓变结势垒电容,可推得：,正偏下，正向注入载流子浓度高于平衡值，耗尽层近似与实际偏离较大，应予修正。,37,扩散结,实际扩散结载流子浓度分布为余误差函数或高斯函数，势垒电容计算复杂； 在耗尽层近似下，由计算机计算出各种不同条件下实际扩散结的杂质分布，求出势垒宽度与势垒电容随电压变化的关系，绘成图形曲线，编辑成册； 查表法求势垒电容。,38,第5节 PN结直流特性,PN结直流特性是流过PN结中电流与其两端外加电压之间的关系。 正向电压（V0） VT：阈值电压 PN结呈低阻状态 反向电压（V0
9、） IR：反向饱和电流 VB：反向击穿电压 PN结呈高阻状态,39,1 载流子注入,VA0(P正N负)，外电场EA与自建电场E反向，势垒区总电场减弱，平衡被打破，电子和空穴的扩散作用增强； 能带弯曲变化，势垒高度降低，势垒宽度减小； 费米能级分为电子费米能级EFn和空穴费米能级EFp。,40,空穴运动 空穴从P区注入到N区，在边界(xn )附近积累，在N区形成非平衡少数载流子空穴浓度梯度，使空穴继续向前扩散，同时与N区的多子电子复合，空穴浓度降低，经过Lp的距离，注入的少子空穴基本复合。 Lp：空穴扩散长度,41,电子运动 电子从N区注入到 P区，在边界(-xp)附近积累，在P区形成非平衡少数
10、载流子电子浓度梯度，使电子继续向前扩散，同时与N区的多子空穴复合，电子浓度降低，经过Ln的距离，注入的少子电子基本复合。 Ln：电子扩散长度,42,正向电流 带正电荷的空穴运动方向从 P区到N区，形成空穴电流的方向从P区到N区； 带负电荷的电子运动方向从N区到 P区，形成电子电流的方向从P区到N区； 流过二极管的总正向电流是空穴注入电流与电子注入电流之和。,43,2 反向抽取,VR0 ( P负N正)，外电场 ER与自建电场E同向，势垒区总电场增强，平衡被打破，电子和空穴的扩散作用减弱，漂移作用增强； 能带弯曲变化，势垒高度增加，势垒宽度增加； 费米能级分为EFn和EFp。,44,反向电场对 P
11、区少数载流子电子的漂移作用使在边界(-xp )附近电子浓度减少而低于平衡值np，与 P区体内存在浓度梯度产生少子电子的扩散运动，带负电荷的电子被反向电场抽取，从 P区到N区定向运动，形成由N区到 P 区的反向电子电流。,45,反向电场对N区少数载流子空穴的漂移作用，使带正电荷的空穴被反向电场抽取，形成由N区到 P区的反向空穴电流。,46,3 准费米能级和载流子浓度,PN结外加电压，势垒区总电场变化，平衡被打破，能带弯曲变化，费米能级变化。,47,非平衡条件下载流子浓度：,可推得：,48,4 直流电流电压方程,理想PN结假设： （1）外加电压完全降落在势垒区，势垒区以外没有电场； （2）在空间电
12、荷区内没有载流子的产生与复合，通过空间电荷区的电荷密度不变； （3）注入的非平衡少数载流子浓度比多数载流子的浓度小得多，即讨论小注入的情况； （4）不考虑表面对PN结的影响。,49,电流连续性原理：通过PN结任意截面的总电流密度（空穴电流密度和电子电流密度之和）相等。,50,n(0)：P区空间电荷区边界处非 平衡注入电子浓度 p(0)：N区空间电荷区边界处非 平衡注入空穴浓度 Wp：P区宽度 Wn：N区宽度,边界条件：,二阶常微分方程的解：,51,利用边界条件和假设，解空穴连续性方程，可推得扩散区空穴浓度分布表达式：,52,扩散区空穴电流密度：,53,Wn Lp：,此时空穴电流密度与位置无关，
13、处处相等，即注入到N区非平衡少子都能扩散到Wn 处，复合损失可忽略可计。,Wn Lp：,54,同理，可导出通过空间电荷区与P区交界面处的电子电流密度：,空间电荷区内没有载流子的产生与复合，空间电荷区两端面的电子电流密度相等，空穴电流密度相等； 扩散区载流子复合，电子电流与空穴电流相互转换； 任意截面的总电流密度相等。,55,通过PN结的总电流密度：,即理想二极管直流电流电压方程（二极管定律）,乘以面积A得总电流：,56,PN结正向偏置： VA 0 且 VA KT/q,电流电压方程：,57,WpLn， WnLp：,LnWp， LpWn：,58,P+N单边突变结，NA ND，则有：,N+P单边突变
14、结，ND NA，可同样分析。,59,PN结的动态电导： （动态电阻的倒数）,PN结单向导电性,60,61,5 影响PN结直流特性的其他因素,理想与实际的比较：Ge-PN结较好符合 Si-PN结存在偏差,62,势垒区的复合与产生电流,63,正向偏压使载流子注入空间电荷区，复合率增加，空间电荷区内有复合电流 IRG，PN结总正向电流为： IF = IFD + IRG,反向偏压对载流子的抽取，使少子浓度降低，有载流子产生，势垒区存在产生电流 IG ，总反向电流为： IR =IRD + IG,PN结正偏， , 净复合率：,64,以P+N结为例，讨论复合电流与产生电流对电流的影响,正偏电流：,65,反偏
15、电流：,Si-P+N：jG /jRD=100，jG大； Ge-P+N：jG /jRD=0.1，jRD大； jGxm，即当反向偏压增加，xm扩大， jG上升，反 向电流不饱和； 典型值算得： Si： jRD=1.51012A/cm-2， jG=1.2109A/cm-2 Ge： jRD=2.28106A/cm-2， jG=2107A/cm-2,66,PN结的大注入现象,大注入：注入的非平衡少子浓度接近甚至超过多子浓度,（1） 载流子浓度,PN结正偏大注入，n区空穴： p(x)=p(x)+ pn = p(x),N区多子浓度上升为：,67,68,（2） 大注入时正向电流,N区多子电子的积累，存在浓度梯
16、度，则有电子的扩散，使势垒边电子数减少，电极边电子数增加，在N区建立指向电极的大注入自建电 场E，阻碍电子扩散运动，使电 子运动达到动态平衡，保持稳定 分布。电场E作用下通过N区的 电子与空穴电流密度分别为：,69,电场对电子产生的漂移电流与电子浓度梯度引起的扩散电流平衡，净电子电流jn为零，得：,N区的空穴电流密度为：,对Wn Lp，N区中少子近似为线性分布，故：,70,小注入，p(0) nn：,特大注入，p(0) nn：,71,串联电阻的影响,PN结串联电阻RS包括体电阻和欧姆接触电阻； PN结的体电阻：机械强度要求加工硅片有一定的厚度(200m-300m)，PN结击穿电压要求杂质浓度低； 欧姆接触电阻：金属与半导体接触形成一定的电阻； RS的压降使VA不能全部降在PN结上； RS使PN结实际偏压降低为： RS使PN结功耗增加。 一般应尽量减小串联电阻。,72,表面效应,半导体表面对PN结的电流电压特性的影响很大，特别是对反向电流，几乎有决定性的影响，表面漏电流可能比反向电流理论值大几个数量级。,
