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1、第七章第七章 pn结结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结隧道效应概念概念 由由由由p p型型型型半半半半导导导导体体体体和和和和n n型型型型半半半半导导导导体体体体接接接接触触触触所所所所形形形形成成成成的的的的界界界界面面面面及其过渡区形成及其过渡区形成及其过渡区形成及其过渡区形成pnpn结。结。结。结。 同同同同质质质质结结结结：构构构构成成成成pnpn结结结结的的的的p p型型型型半半半半导导导导体体体体和和和和n n型型型型半半半半导导导导体体体体是同种半导体材料；是同种半导体材料；是同种半导体材料；是同种半导体材料； 异异异异质质质质结结结结：
2、构构构构成成成成pnpn结结结结的的的的p p型型型型半半半半导导导导体体体体和和和和n n型型型型半半半半导导导导体是体是体是体是不同种不同种不同种不同种半导体材料。半导体材料。半导体材料。半导体材料。7.1 pn结的基本结构结的基本结构1 1、pnpn结的结构及杂质分布结的结构及杂质分布2 2 空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区没有可移动的净电没有可移动的净电荷，高阻区荷，高阻区阻碍载流子继续阻碍载流子继续做扩散运动做扩散运动3、pnpn结能带图结能带图平衡平衡pnpn结结n内建电场的形成过程？n平衡PN结?4、接触电势差接触电势差接触电势差：接触电势差：VD 当当n n区导带内电子
3、试图进入区导带内电子试图进入p p区，区，要克服一个势垒，这个势垒就是要克服一个势垒，这个势垒就是接接触电势差触电势差，也叫，也叫内建电势差内建电势差。 相应的电子电势能之差相应的电子电势能之差eVD称为：称为：pn结的结的势垒高度势垒高度。4、接触电势差接触电势差本章开始本章开始本章开始本章开始N ND D，N NA A分别指分别指分别指分别指n n区和区和区和区和p p区区区区内的净施主和受主杂质！内的净施主和受主杂质！内的净施主和受主杂质！内的净施主和受主杂质！例：硅例：硅pnpn结在结在300K300K时，掺杂浓度的分别，假设时，掺杂浓度的分别，假设同掺杂情况下的锗：同掺杂情况下的锗：
4、5、pnpn结中的载流子分布结中的载流子分布令：令：p区电势为区电势为0，越向，越向n区电势越高区电势越高Xn和和Xp分别为势垒边界位置，也分别对应电势最低和最高点，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：但对电子而言，电势能为： p区比区比n区高区高n区平衡多子为：区平衡多子为： 7.2 pn结的电流结的电流-电压特性电压特性正向偏压正向偏压特点：电流随着电压增加的增长速度很快，因此，较特点：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。小的偏压就可以得到较大的电流。反向偏压反向偏压特点：电流随着电压增加的增长速度很慢，几乎不随电特点：
5、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，电流迅速增大，发生压变化，当电压达到一定值，电流迅速增大，发生击穿击穿。7.2.1 非平衡状态下的非平衡状态下的pn结结nnn0 n区平衡多数载流子nnp0 p区平衡少数载流子npp0 p区平衡多数载流子npn0 n区平衡少数载流子 正偏正偏正偏正偏势垒区为高阻区，电压主要势垒区为高阻区，电压主要降在势垒区降在势垒区正向电压与内建电场反向正向电压与内建电场反向减弱势垒区内建电场强度减弱势垒区内建电场强度空间电荷减少，势垒宽度减空间电荷减少，势垒宽度减小，势垒高度降低小，势垒高度降低eVD。1 1 1 1、外加正电压时，、外加正
6、电压时，、外加正电压时，、外加正电压时，pnpnpnpn结势垒的变化结势垒的变化结势垒的变化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。干倍的距离后，全部复合，这一段区域成为扩散区。2 2 2 2、外加正电压时，载流子的运动、外加正电压时，载流子的运动、外加正电压时，载流子的运动、外加正电压时，载流子的运动正向电压与内建电场反向正向电压与内建电场反向扩散电流大于漂移电流扩散电流大于漂移电流稳定正片电压下，形成稳定稳定正片电压下，形成稳定的从的从n n区指向区指向p p区
7、的电子扩散流，区的电子扩散流，和从和从p p区向区向n n区的空穴扩散流。区的空穴扩散流。 这种由于外加正向偏压这种由于外加正向偏压使非平衡载流子进入半导体使非平衡载流子进入半导体的过程称为的过程称为非平衡载流子的非平衡载流子的电注入。电注入。正向偏压下非平衡少子浓度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：稳定时：因为：扩散区内因为：扩散区内 ， 可以略去可以略去解得注入到解得注入到n区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：同理得注入到同理得注入到P区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓
8、度为：注入到注入到n区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：注入到注入到P区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为： 反偏反偏反偏反偏势垒区为高阻区，电压主要降势垒区为高阻区，电压主要降在势垒区在势垒区反向电压与内建电场方向相同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区内建电场强度增强势垒宽度变宽，势垒高度升高势垒宽度变宽，势垒高度升高eVD3 3 3 3 外加反向电压时，外加反向电压时，外加反向电压时，外加反向电压时，pnpnpnpn结势垒的变化结势垒的变化结势垒的变化结势垒的变化4 4 4 4、外加反向电压时，载流子的运动、外加反向电压时，载流子的运动、外加反向电压时，
9、载流子的运动、外加反向电压时，载流子的运动反向电压与内建电场同向反向电压与内建电场同向形成稳定的从形成稳定的从n区边界指向区边界指向p区的空穴扩散流，和从区的空穴扩散流，和从p区边界区边界向向n区的电子扩散流区的电子扩散流少子浓度低，浓度梯度小，少子浓度低，浓度梯度小，在同样扩散长度下，扩散电流在同样扩散长度下，扩散电流很小，可以认为是零。很小，可以认为是零。反向偏压下非平衡少子浓度反向偏压下非平衡少子浓度注入到注入到n区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：注入到注入到P区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：7.2.2 理想理想pn结电流电压方程结电流电压方程1、边界条件、边界条件
10、2、正向偏压下非平衡少子浓度、正向偏压下非平衡少子浓度注入到注入到n区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：注入到注入到P区的非平衡少子浓度为：区的非平衡少子浓度为：边界处非平衡少子浓度为：边界处非平衡少子浓度为：理想理想pn结的电流电结的电流电压方程，又称肖克压方程，又称肖克莱方程式莱方程式3 3、扩散电流方程、扩散电流方程pn结具有单向导电性结具有单向导电性温度对电流密度影响很大温度对电流密度影响很大绝对零度时导带绝对零度时导带底和价带顶的电底和价带顶的电势差势差7.2.3 影响影响pn结电流电压特性偏离理想方程的因素结电流电压特性偏离理想方程的因素实际硅实际硅p-np-n结的电流电压
11、特性结的电流电压特性扩散电流扩散电流复合电流复合电流反向扩散反向扩散电流密度电流密度反向饱和反向饱和电流密度电流密度势垒区产生的势垒区产生的电流密度电流密度7.3 pn结电容结电容pn结有整流特性，也有破坏整流特性的因素，结有整流特性，也有破坏整流特性的因素， pn结电容结电容pn结电容可以分为结电容可以分为势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容7.3.1 pn结电容结电容 外加正向偏压增加时，有部分电子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，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。这种电子和空穴从势垒区取出。这种pn结的结的电容效应称为势垒电容。电
12、容效应称为势垒电容。正向偏压下，正向偏压下，pn结载流子变化结载流子变化7.3.1 pn结电容结电容 外加正向偏压增加时，外加正向偏压增加时，p区空穴注入区空穴注入n区，在区，在n区区一个扩散长度内，形成非平衡空穴积累，与其保持电一个扩散长度内，形成非平衡空穴积累，与其保持电中性的电子也相应增加；同样中性的电子也相应增加；同样p区扩散区内非平衡电区扩散区内非平衡电子和与之保持平衡的空穴也要增加。这种子和与之保持平衡的空穴也要增加。这种pn结扩散结扩散区的电荷数量随外加电压的变化所发生的电容效应称区的电荷数量随外加电压的变化所发生的电容效应称为扩散电容。为扩散电容。7.3.2 突变结的势垒电容突
13、变结的势垒电容势垒区电中性势垒区电中性7.3.2 突变结的势垒电容突变结的势垒电容7.3.3 线形缓变结的势垒电容线形缓变结的势垒电容 减小截面积或降低杂质浓度梯度减小截面积或降低杂质浓度梯度 有助于减小线性缓有助于减小线性缓变结的势垒电容。变结的势垒电容。缓变型电容与缓变型电容与 成正比，成正比，突变结的势垒电容与突变结的势垒电容与 成正比，成正比，突变结势垒电容受反向偏压影响更大。突变结势垒电容受反向偏压影响更大。7.3.4 7.3.4 扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容7.4 pn7.4 pn结的击穿特性结的击穿特性结的击穿特性结的击穿特性 当反向偏压达到当反向偏压达到VBR时，反向电流急
14、剧增大的现象时，反向电流急剧增大的现象称为称为pnpn结击穿，结击穿，结击穿，结击穿，VBR为为pn结击穿电压。结击穿电压。 pn结击穿根据不同机理分为：雪崩击穿、隧道击穿结击穿根据不同机理分为：雪崩击穿、隧道击穿和热击穿。和热击穿。7.4.1 7.4.1 雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿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续该碰撞和激发过程的现象，形成极大反向电流称为为pn结雪崩击穿。结雪崩击穿。7.4 pn7
15、.4 pn结的击穿特性结的击穿特性结的击穿特性结的击穿特性雪雪崩崩倍倍增增效效应应发发生生时时，空空间间电电荷荷区内的电子电流和空穴电流成份区内的电子电流和空穴电流成份7.4 .2 7.4 .2 隧道击穿隧道击穿隧道击穿隧道击穿隧道效应：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。垒的一边穿透到另一边。7.4 .2 7.4 .2 隧道击穿隧道击穿隧道击穿隧道击穿7.4 .2 7.4 .2 热电击穿热电击穿热电击穿热电击穿反向电流反向电流热损耗热损耗反向电压增大反向电压增大热损耗功率增加，产生大量热能热损耗功率增加，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结热击穿结热击穿
