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1、,第七章 pn结,p-n结及其能带图 p-n结电流电压特性 p-n结电容 p-n结的击穿 p-n结隧道效应,概念,由p型半导体和n型半导体接触所形成的界面及其过渡区形成pn结。,同质结：构成pn结的p型半导体和n型半导体是同种半导体材料； 异质结：构成pn结的p型半导体和n型半导体是不同种半导体材料。,7.1 pn结的基本结构,1、pn结的结构及杂质分布,2 空间电荷区,没有可移动的净电荷，高阻区,阻碍载流子继续做扩散运动,3、pn结能带图,平衡pn结,内建电场的形成过程？ 平衡PN结?,4、接触电势差,接触电势差：VD,当n区导带内电子试图进入p区，要克服一个势垒，这个势垒就是接触电势差，也
2、叫内建电势差。 相应的电子电势能之差eVD称为：pn结的势垒高度。,4、接触电势差,本章开始ND，NA分别指n区和p区内的净施主和受主杂质！,例：硅pn结在300K时，掺杂浓度的分别，假设,同掺杂情况下的锗：,5、pn结中的载流子分布,令：p区电势为0，越向n区电势越高 Xn和Xp分别为势垒边界位置，也分别对应电势最低和最高点，但对电子而言，电势能为： p区比n区高 n区平衡多子为：,7.2 pn结的电流-电压特性,正向偏压,特点：电流随着电压增加的增长速度很快，因此，较小的偏压就可以得到较大的电流。,反向偏压,特点：电流随着电压增加的增长速度很慢，几乎不随电压变化，当电压达到一定值，电流迅速
3、增大，发生击穿。,7.2.1 非平衡状态下的pn结,nn0 n区平衡多数载流子 np0 p区平衡少数载流子 pp0 p区平衡多数载流子 pn0 n区平衡少数载流子,正偏,势垒区为高阻区，电压主要降在势垒区 正向电压与内建电场反向 减弱势垒区内建电场强度 空间电荷减少，势垒宽度减小，势垒高度降低eVD。,1、外加正电压时，pn结势垒的变化,扩散区：非平衡少子边扩散边与复合，经过一个比扩散长度大若干倍的距离后，全部复合，这一段区域成为扩散区。,2、外加正电压时，载流子的运动,正向电压与内建电场反向 扩散电流大于漂移电流 稳定正片电压下，形成稳定的从n区指向p区的电子扩散流，和从p区向n区的空穴扩散
4、流。,这种由于外加正向偏压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。,正向偏压下非平衡少子浓度,以正向偏压下边界处非平衡少子浓度作为连续性方程的边界条件 稳定时：,因为：扩散区内 ， 可以略去,解得注入到n区的非平衡少子浓度为：,同理得注入到P区的非平衡少子浓度为：,注入到n区的非平衡少子浓度为：,注入到P区的非平衡少子浓度为：,反偏,势垒区为高阻区，电压主要降在势垒区 反向电压与内建电场方向相同 势垒区内建电场强度增强 势垒宽度变宽，势垒高度升高eVD,3 外加反向电压时，pn结势垒的变化,4、外加反向电压时，载流子的运动,反向电压与内建电场同向 形成稳定的从n区边界指向p区的
5、空穴扩散流，和从p区边界向n区的电子扩散流 少子浓度低，浓度梯度小，在同样扩散长度下，扩散电流很小，可以认为是零。,反向偏压下非平衡少子浓度,注入到n区的非平衡少子浓度为：,注入到P区的非平衡少子浓度为：,7.2.2 理想pn结电流电压方程,1、边界条件,2、正向偏压下非平衡少子浓度,注入到n区的非平衡少子浓度为：,注入到P区的非平衡少子浓度为：,边界处非平衡少子浓度为：,理想pn结的电流电压方程，又称肖克莱方程式,3、扩散电流方程,pn结具有单向导电性,温度对电流密度影响很大,绝对零度时导带底和价带顶的电势差,7.2.3 影响pn结电流电压特性偏离理想方程的因素,实际硅p-n结的电流电压特性
6、,扩散电流,复合电流,反向扩散电流密度,反向饱和电流密度,势垒区产生的电流密度,7.3 pn结电容,pn结有整流特性，也有破坏整流特性的因素， pn结电容,pn结电容可以分为势垒电容和扩散电容,7.3.1 pn结电容,外加正向偏压增加时，有部分电子和空穴存入；反之，当正向偏压减小时，电子和空穴从势垒区取出。这种pn结的电容效应称为势垒电容。,正向偏压下，pn结载流子变化,7.3.1 pn结电容,外加正向偏压增加时，p区空穴注入n区，在n区一个扩散长度内，形成非平衡空穴积累，与其保持电中性的电子也相应增加；同样p区扩散区内非平衡电子和与之保持平衡的空穴也要增加。这种pn结扩散区的电荷数量随外加电
7、压的变化所发生的电容效应称为扩散电容。,7.3.2 突变结的势垒电容,势垒区电中性,7.3.2 突变结的势垒电容,7.3.3 线形缓变结的势垒电容,减小截面积或降低杂质浓度梯度 有助于减小线性缓变结的势垒电容。 缓变型电容与 成正比， 突变结的势垒电容与 成正比， 突变结势垒电容受反向偏压影响更大。,7.3.4 扩散电容,7.4 pn结的击穿特性,当反向偏压达到VBR时，反向电流急剧增大的现象称为pn结击穿，VBR为pn结击穿电压。 pn结击穿根据不同机理分为：雪崩击穿、隧道击穿和热击穿。,7.4.1 雪崩击穿,在高反向偏压下，势垒区内载流子在强电场作用下发生碰撞并激发出新电子空穴对，新生成载流子继续该碰撞和激发过程的现象，形成极大反向电流称为pn结雪崩击穿。,7.4 pn结的击穿特性,雪崩倍增效应发生时，空间电荷区内的电子电流和空穴电流成份,7.4 .2 隧道击穿,隧道效应：低于势垒的电子和空穴凭借一定的概率由势垒的一边穿透到另一边。,7.4 .2 隧道击穿,7.4 .2 热电击穿,反向电流热损耗 反向电压增大热损耗功率增加，产生大量热能 反向饱和电流密度随温度呈指数规律快速上升 pn结热击穿,
