《半导体基础与应用 教学课件 ppt 作者 肖国玲 第3章 PN结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体基础与应用 教学课件 ppt 作者 肖国玲 第3章 PN结（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.1 p-n结及其能带图 3.2 p-n结的电流-电压特性 3.3 p-n结电容效应 3.4 p-n结击穿 3.5 p-n结隧道效应,第3章 p-n结,3.1 pn结及其能带图,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了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。,1、p-n结的形成,p-n结的形成 控制同一块半导体的掺杂,形成pn结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) 在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结-同质结
2、 由两种不同的半导体单晶材料组成的结异质结,工艺简介: 合金法合金烧结方法形成pn结 扩散法高温下热扩散,进行掺杂 离子注入法将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结 杂质分布的简化: 突变结 线性缓变结,合金法,图3-1 合金法示意图,图3-2 突变结的杂质分布,扩散法,离子注入法,在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。,动态平衡下的PN结, 扩散运动 P型和N型半导
3、体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,PN结的能带图,平衡p-n结及其能带图: 当无外加电压, 载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效
4、果相抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结) 结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).,内建电势,PN结的载流子分布,平衡PN结载流子浓度分布示意图,空间电荷区的电子和空穴“耗尽”了，又把空间电荷区叫做耗尽区或耗尽层。,3.2 p-n结的电流电压特性,其中：,理想PN结的电流电压方程为：,-Js为反向饱和电流密度,理想P-N结的J-U曲线,伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,外加正向偏压,正向偏压时PN结势垒的变化,外加反向偏压,反向偏压时PN结势垒的变化,
5、电容对PN结整流特性的影响,PN上施加一个低频交流电，PN结表现出整流特性。 提高交变频率，那么PN结上就好像并联了一个电容。,交流电正半周时,交流电负半周时,p-n结有存储和释放电荷的能力。,3.3 PN结电容效应,势垒电容 CT 当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应. 当p-n结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少 当p-n结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加,PN结电容的来源： 势垒电容 扩散电容,PN结电容的来源,扩散电容 CD 当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应. 当正向偏置电压增加，扩散区
6、内的非平衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容 可忽略 p-n结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化- CT 和CD都是微分电容: C=dQ/dV,扩散电容 CD,现象: 对p-n结施加反向偏压时, 当反向偏压增大到某一数值时, 反向电流密度突然开始迅速增大. 发生击穿时的反向偏压- p-n结的击穿电压. p-n结击穿的基本原因: 载流子数目的突然增加.,3.4 PN结击穿,击穿机理: 雪崩击穿强电场下的碰撞电离, 使载流子倍增 隧道击穿大反向偏压下, 隧道贯穿使反向电流急剧增加 热电击穿不断上升的结温, 使反向饱和电流持续地迅速增大,隧道效应能量低于势垒的粒子
7、有一定的几率穿越势垒. 这是一种量子力学效应 隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚度有关. 隧道二极管利用量子隧穿现象的器件效应,3.5 p-n结隧道效应,p-n结势垒区的隧道贯穿,隧道结 p-n结, 两边都是重掺杂(简并情况), 以至在p区, EF进入价带; 在n区, EF进入导带. 结果: n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上发生交叠 势垒十分薄 电子可以隧道贯穿势垒区.,思考题 1.什么是PN结的内建场？它是由什么外力引起的？ 2.简述PN结内建场的形成过程。 3.画出P型半导体和N型半导体及PN结的能带图。 4.什么是PN结的势垒电容？势垒电容的大小和哪些因素有关？ 5.画出理想P-N结的J-U曲线。 6.写出理想PN结的电流电压方程。 7.通过查阅简述一个扩散长度的物理意义。 8.若ND=51015cm-3 ，NA=1017 cm-3 ， 求温室下Ge突变P-N结的势垒VD。 9.简述雪崩击穿的过程？除了雪崩击穿还有哪两种击穿？,
