1、有机半导体光电池有机半导体光电池 本章的主要内容：本章的主要内容：将一块将一块p型半导体和一块型半导体和一块n型半导体结合在一起，型半导体结合在一起，在二者的交界面处形成的结称为在二者的交界面处形成的结称为pn结结。pn结是半导体器件结是半导体器件，如绝大部分二极管、双极如绝大部分二极管、双极型晶体管、结型场效应晶体管型晶体管、结型场效应晶体管的核心，在一个半导的核心，在一个半导体集成电路中就包含了成千上万个体集成电路中就包含了成千上万个pn结。因此，了结。因此，了解和掌握解和掌握 pn 结的性质具有重要的实际意义。结的性质具有重要的实际意义。本节首先介绍本节首先介绍 pn 结的结构和实现工艺
2、，然后介结的结构和实现工艺，然后介绍绍pn结的能带和载流子分布规律结的能带和载流子分布规律。在在一块一块 n 型型(或或p型型)半导体上，用适当工艺把半导体上，用适当工艺把 p型型(或或n型型)杂质掺入其中，使半导体的不同区域分别杂质掺入其中，使半导体的不同区域分别具有具有n型和型和p型导电类型，在二者的交界面处形成型导电类型，在二者的交界面处形成pn结。结。pn pn结的基本结构，如图所示。结的基本结构，如图所示。下面简单介绍形成下面简单介绍形成pn结结的典型工艺和杂质分布。的典型工艺和杂质分布。n-Si 合金法制造合金法制造pn结的过程，如图所示。结的过程，如图所示。n-Sin-Si 将一
3、粒将一粒Al放在一块放在一块 n 型半导体片上，加热到一定型半导体片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在开始凝固，在n型型Si片上形成一个含有高浓度片上形成一个含有高浓度Al的的p型型Si薄层，它与薄层，它与n型型Si衬底的交界面处即衬底的交界面处即为为pn结。结。用用这种工艺方法形成的这种工艺方法形成的pn结，结，称为称为。合金合金结的杂质分布如图所示。结的杂质分布如图所示。由图可知合金结的杂质分由图可知合金结的杂质分布具有以下特点布具有以下特点:在交界面处，杂质由在交界面处，杂质由NA突变为突变为ND。NANDN
4、(x)xj x n 型区中施主杂质浓度为型区中施主杂质浓度为ND，并且均匀分布，并且均匀分布;p型区中型区中的受主杂质浓度为的受主杂质浓度为NA，也均，也均匀分布。匀分布。通常，通常，称为称为(Abrupt Junction)。由图可知，由图可知，突变结的杂质突变结的杂质分布可以表示为分布可以表示为 在在实际的突变结两边，杂质的浓度相差很多（约实际的突变结两边，杂质的浓度相差很多（约1000倍）。倍）。NANDN(x)xj x 通常，通常，称为称为。)()(,)()(jjDAxxxxNxNNxNn-Si 扩散法扩散法制造制造pn结的过程，如图所示。结的过程，如图所示。n-Sin-Si 在在一块
5、一块 n 型半导体片上，通过氧化形成型半导体片上，通过氧化形成SiO2掩护掩护膜；用紫外线暴光、并用氢氟酸腐蚀光刻，露出膜；用紫外线暴光、并用氢氟酸腐蚀光刻，露出n-Si；通过硼气氛在高温下扩散，；通过硼气氛在高温下扩散，在在n-Si衬底表面下衬底表面下形成深度为形成深度为xj 的的p-Si区，从而出现区，从而出现pn结。结。扩散扩散结结的杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。的杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在在扩散结中，杂质浓度从扩散结中，杂质浓度从p区到区到n区是逐渐变化的，区是逐渐变化的，通常通常称为称为，如图所示。如图所示。NANDN(x)xj x 由图可知，由图可知，缓变结的杂质缓变
6、结的杂质分布可以表示为分布可以表示为)()(,)()(jjDADAxxxxNxNNxN 在在扩散扩散结中，结中，若杂质分布可以用结处的切线近似若杂质分布可以用结处的切线近似表示表示，则称为则称为(Linear graded Junction)，其其杂质分布如图所示。杂质分布如图所示。NA-NDxj x 线性缓变结的杂质分布可线性缓变结的杂质分布可表示为表示为()DAjjNNxx式中式中j 是是 xj 处切线的斜率，处切线的斜率，称为杂质浓度梯度，由称为杂质浓度梯度，由扩散杂质的实际扩散杂质的实际分布确定。分布确定。若采用高浓度扩散源且扩散时间较短，则进入半若采用高浓度扩散源且扩散时间较短，则进
7、入半导体的杂质大多在其表面附近，如图所示。导体的杂质大多在其表面附近，如图所示。NANDN(x)xj x 这种由扩散形成的这种由扩散形成的高表高表面浓度浅面浓度浅pn结，结，由于结处由于结处的杂质浓度梯度很大，受的杂质浓度梯度很大，受主杂质浓度远高于施主杂主杂质浓度远高于施主杂质浓度，质浓度，因此因此可以采用突可以采用突变结近似。变结近似。显然，显然，通过控制扩散工艺参数通过控制扩散工艺参数既可以获得既可以获得低表面低表面浓度深扩散结浓度深扩散结线性线性缓缓变结变结，也可以获得高表面，也可以获得高表面浓度浅扩散结浓度浅扩散结单边突变结单边突变结。n-Si 离子注入法离子注入法制造制造pn结的过
8、程同扩散法类似，只是结的过程同扩散法类似，只是在形成在形成p型区时采用了新的掺杂手段。型区时采用了新的掺杂手段。n-Sin-Si 离子注入技术是将（硼、磷、砷）的原子经过离离子注入技术是将（硼、磷、砷）的原子经过离子化变成带电的杂质离子子化变成带电的杂质离子，并用强电场加速获得约，并用强电场加速获得约几万到几十万电子伏的高能量。然后，用高能离子几万到几十万电子伏的高能量。然后，用高能离子束直接轰击到半导体基片内部，经过退火激活，束直接轰击到半导体基片内部，经过退火激活，在在n-Si衬底表面下形成深度为衬底表面下形成深度为xj 的的pn结。结。离子注入离子注入pn结的杂质浓度分布如图所示。结的杂
9、质浓度分布如图所示。在掩蔽膜窗口附近的横在掩蔽膜窗口附近的横向方向杂质呈现余误差分向方向杂质呈现余误差分布，而纵向则是以平均投布，而纵向则是以平均投影射程影射程Rp为中心的近似高为中心的近似高斯分布。斯分布。NSRpN(x)xj x 综上所述综上所述，采用不同的制造工艺可以得到不同的，采用不同的制造工艺可以得到不同的杂质分布。杂质分布。pn结的杂质分布一般可以归纳为两种结的杂质分布一般可以归纳为两种和和。合金结和高表面浓度的浅扩散结，合金结和高表面浓度的浅扩散结，一般可以认为一般可以认为是是突突变结。变结。低表面浓度的深扩散结，低表面浓度的深扩散结，一般可以认为是一般可以认为是线性线性缓缓变结
10、。变结。pn 结结的结构的结构如图所示。如图所示。空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+在在n 区电子为多区电子为多子，空穴为少子；子，空穴为少子；而在而在 p区空穴为多区空穴为多子，电子为少子。子，电子为少子。当两块半导体结合当两块半导体结合形成形成pn结时，由于结时，由于存在载流子浓度梯存在载流子浓度梯 度，将导致度，将导致空穴从空穴从 p 区到区到 n 区、电子从区、电子从n区到区到p区的区的扩散运动。扩散运动。空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+对于对于p区，区，空穴离开后留下了不可动的电离受主空穴离开后留下了不可动的电离受主杂质，在杂质，在pn结附近结附近p区一侧出现了一个负电荷区
11、。区一侧出现了一个负电荷区。同理，同理，在在pn结附结附近近n区一侧，也出区一侧，也出现了一个由电离施现了一个由电离施主杂质构成的正电主杂质构成的正电荷区。荷区。通常通常把在把在pn结附近的这些电离结附近的这些电离施主和电离受主所施主和电离受主所带的电荷，带的电荷，称为称为 空间电荷所存在的区域，空间电荷所存在的区域，称为称为。由于由于 在该区域没有载流子，因此，空间电荷区又称为载在该区域没有载流子，因此，空间电荷区又称为载流子流子。空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+在空间电荷区，由这些电荷产生在空间电荷区，由这些电荷产生了一个从了一个从n 区指区指向向p区，区，即即称为称为，如图所示如图
12、所示。在在内建电场作用内建电场作用下，下，载流子形成载流子形成与与扩散电流方向相反扩散电流方向相反的的漂移电流漂移电流。显然，显然，内建电场内建电场对载流子的扩散起对载流子的扩散起阻碍作用。阻碍作用。在没有外加电压情况下，在没有外加电压情况下，载流子的扩散和漂移最载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡。终将达到动态平衡。此时，此时，称为称为。P P 型型半半导导体体N N 型型半半导导体体+内电场内电场 由于由于 p 区与区与 n 区各自有区各自有不同的费米能级不同的费米能级，因此两因此两者相接触时处于非平衡状者相接触时处于非平衡状态，态，n 区的电子向区的电子向 p 区扩区扩散散，而而 p 区
13、空穴则向区空穴则向 n 区区扩散扩散。当扩散电流与反向漂移当扩散电流与反向漂移电流相等时，电流相等时，p区与区与n区区的的费米能级重合费米能级重合，pn结具有结具有统一的费米能级，如图所统一的费米能级，如图所示。示。pn 由于自建电场由由于自建电场由 n区指向区指向 p区，说明区，说明p区电势低于区电势低于n区，如图所示区，如图所示。eVD 由于能带图反映的由于能带图反映的是电子能级，因此由是电子能级，因此由电势分布可知，电势分布可知，n区区静电势能比静电势能比 p区低，区低，从而使结两边的能带从而使结两边的能带产生相对移动，直到产生相对移动，直到费米能级处处相等为费米能级处处相等为止。止。所
14、以，所以，pn结平衡时能结平衡时能带是弯曲的，带是弯曲的，n区相对区相对于于p区能带降低区能带降低 eVD。其中，其中，n区与区与 p区的电势差区的电势差VD 称为称为。eVD 显然，空间电荷区显然，空间电荷区内能带的弯曲是电子内能带的弯曲是电子电势能变化的结果。电势能变化的结果。因为能带弯曲，电子因为能带弯曲，电子从势能低的从势能低的n区向势区向势能高的能高的p区运动时，区运动时，必须克服这个势能差必须克服这个势能差势垒，才能势垒，才能到达到达p区；区；同理，同理，p区空穴也必须克服这个势垒才能从区空穴也必须克服这个势垒才能从p区到区到达达n区，区，故通常称故通常称eVD为为pn结的结的，空
15、间电荷，空间电荷区也称为区也称为。平衡时平衡时 pn 结的载流子浓度分布如图所示。结的载流子浓度分布如图所示。+在空间电荷区在空间电荷区p区势垒边处的电子区势垒边处的电子浓度等于浓度等于p区平衡区平衡少子浓度，空穴浓少子浓度，空穴浓度等于度等于p区平衡多区平衡多子浓度子浓度；而在；而在n区区势垒边处，空穴浓势垒边处，空穴浓度等于度等于n区少子浓区少子浓度，电子浓度等于度，电子浓度等于n区多子浓度。区多子浓度。上述分析表明，平衡时在上述分析表明，平衡时在 pn 结处形成一个高阻区结处形成一个高阻区域域势垒区（又称为耗尽区），其典型宽度在势垒区（又称为耗尽区），其典型宽度在10 m量级。量级。()
16、/0()/0FniBiFpBEEk TniEEk Tpinnepne 对于突变结，对于突变结，p区和区和n区都可视为均匀掺杂。区都可视为均匀掺杂。设杂设杂质浓度分别为质浓度分别为Na和和Nd，则由载流子数密度公式可得，则由载流子数密度公式可得n区电子浓度与区电子浓度与 p区空穴浓度分别为区空穴浓度分别为 即得即得()/002FnFpBEEk Tnpin pn e 在室温附近，在室温附近，本征激发不明显，但杂质基本上已本征激发不明显，但杂质基本上已全部电离，全部电离，近似有近似有 apdnNpNn00 从平衡从平衡pn结的能带图可知，结的能带图可知，势垒高度正好补偿了势垒高度正好补偿了n 区和区
17、和p 区费米能级之差，区费米能级之差，因此有因此有 FpFnDEEeV所以所以/2DBeVk TadiN Nn e因此得到内建电势差为因此得到内建电势差为 2lnidaBDnNNeTkV 上式表明，上式表明，接触电势差与接触电势差与pn结两测的掺杂浓度和结两测的掺杂浓度和温度，以及材料的禁带宽度有关。温度，以及材料的禁带宽度有关。对于突变结，对于突变结，在一定温度下，在一定温度下，pn结两测的掺杂浓结两测的掺杂浓度越高，接触电势差越大；度越高，接触电势差越大；禁带宽度越大，本征载禁带宽度越大，本征载流子浓度越小，接触电势差也越大。流子浓度越小，接触电势差也越大。由于硅的禁带宽度比锗的禁带宽度大
18、，因此，硅由于硅的禁带宽度比锗的禁带宽度大，因此，硅pn的接触电势差比硅的接触电势差比硅pn的接触电势差大。的接触电势差大。对于典型半导体，当对于典型半导体，当Na=1017cm-3、Nd=1015cm-3时，在室温下计算得时，在室温下计算得0.70Si-0.32Ge-DDVVVV（）（）pnpn 当当pn结无外加电压时，空间电荷区内的扩散电流结无外加电压时，空间电荷区内的扩散电流等于漂移电流，所以通过等于漂移电流，所以通过pn结结的净电流为零。的净电流为零。当在当在pn结上施加偏置电压时，空间电荷区的电势结上施加偏置电压时，空间电荷区的电势分布和能带将发生变化，从而导致扩散和漂移的平分布和能
19、带将发生变化，从而导致扩散和漂移的平衡被打破，衡被打破，pn 结处于非平衡状态，称为非平衡结处于非平衡状态，称为非平衡pn结。结。本节讨论非平衡本节讨论非平衡 pn 结物理特性的变化，如能带结物理特性的变化，如能带图、少子浓度分布、电流的传输和转换，以及电流图、少子浓度分布、电流的传输和转换，以及电流-电压特性（伏安特性）电压特性（伏安特性）。在施加正向电压在施加正向电压V VD条件下，条件下，外电压在势垒区外电压在势垒区中产生了与内建电场方向中产生了与内建电场方向相反的电场，因而削弱了相反的电场，因而削弱了内建电场，使空间电荷减内建电场，使空间电荷减少。故少。故势垒区的宽度将减势垒区的宽度将
20、减小，同时势垒高度由小，同时势垒高度由eVD下降为下降为e(VD-V)，如图所如图所示。示。p neVD 势垒的降低削弱了漂移运动势垒的降低削弱了漂移运动 ，使扩散流大于漂，使扩散流大于漂移流，产生了净扩散流，移流，产生了净扩散流，构成了构成了pn结的正向电流结的正向电流。电子通过势垒电子通过势垒扩散到扩散到p区，使区，使p区势垒区势垒边的电子数边的电子数密度比平衡值高，即密度比平衡值高，即 同理，同理，空穴通过势垒扩散到空穴通过势垒扩散到n区，使区，使n区势垒边的区势垒边的空穴数密度比平衡值高，也空穴数密度比平衡值高，也 这种这种外加正向偏压作用使非平衡少子进入半导体外加正向偏压作用使非平衡
21、少子进入半导体的过程，的过程，称为称为非平衡少子的非平衡少子的。在施加反向电压在施加反向电压V 条件条件下，下，外电压在势垒区中产外电压在势垒区中产生了与内建电场方向相同生了与内建电场方向相同的电场，因而增强了内建的电场，因而增强了内建电场，使空间电荷增多。电场，使空间电荷增多。故故势垒区的宽度将变宽，势垒区的宽度将变宽，同时势垒高度增大，同时势垒高度增大，如图如图所示。所示。p neVD 势垒的增大加强了漂移势垒的增大加强了漂移运动，使扩散流小于漂移运动，使扩散流小于漂移流。流。此时，此时，n区势垒边的空穴，被势垒区的强电场驱区势垒边的空穴，被势垒区的强电场驱向向p区，而区，而p区势垒边的电
22、子被驱向区势垒边的电子被驱向n区。区。当这些少数载流子被电当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子前场驱走后，内部的少子前来补充，从而形成了反向来补充，从而形成了反向偏压下的电子扩散电流和偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流。空穴扩散电流。这种情况如同少数载流子不断地被抽出来这种情况如同少数载流子不断地被抽出来，所以，所以将这种将这种反向偏压作用下非平衡少子的运动过程，反向偏压作用下非平衡少子的运动过程，称称为为非平衡少子的非平衡少子的或或。p neVD 在正向偏压下，在正向偏压下，pn结的平结的平衡被破坏，衡被破坏，n区能带相对区能带相对p区区被抬高被抬高eV，此时，此时n区和区和p区的区的费
23、米能级之差为费米能级之差为FNFPEEeV 由于由于在电注入下，在电注入下，p区和区和n区势垒边出现较高浓度的非区势垒边出现较高浓度的非平衡少子平衡少子，并各自向体内扩，并各自向体内扩散。因此，在势垒区和扩散散。因此，在势垒区和扩散区没有统一的费米能级，必区没有统一的费米能级，必须用准费米能级表示。须用准费米能级表示。在在p区，由于空穴浓度很高，且势垒区很窄，费区，由于空穴浓度很高，且势垒区很窄，费米能级和变化可以忽略，因此空穴的费米能级从米能级和变化可以忽略，因此空穴的费米能级从p区到势垒区一直保持区到势垒区一直保持EFpeVD 但在空穴扩散区，由于空但在空穴扩散区，由于空穴浓度远小于穴浓度
24、远小于n区电子浓度区电子浓度且变化显著，此时且变化显著，此时n区中空区中空穴的费米能级用空穴准费米穴的费米能级用空穴准费米能级表示。能级表示。同理，在同理，在p区电子的费米能区电子的费米能级用电子准费米能级表示，级用电子准费米能级表示，而在而在n区和势垒区，电子的费区和势垒区，电子的费米能级保持米能级保持EFn不变。不变。在在p区势垒边处，电子准费米能级等于区势垒边处，电子准费米能级等于EFn，则电，则电子和空穴的浓度分别为子和空穴的浓度分别为eVD()/()/()()FniBiFpBEEk TppiEEk Tppinxnepxne即得即得/2()()BeV k Tppppinxpxn e所以
25、有所以有 2/()()BeV k Tippppnnxepx由于由于 0002()pppppipxppnn所以得所以得p区势垒边的电子浓度区势垒边的电子浓度/0()BeV k Tpppnxn e同理得同理得n区势垒边的空穴浓度区势垒边的空穴浓度/0()BeV k Tnnnpxp e 注入的非平衡少子向体内边扩散边复合，形成一注入的非平衡少子向体内边扩散边复合，形成一个稳态分布，根据扩散理论和边界条件，可得个稳态分布，根据扩散理论和边界条件，可得()()()()npxlpppxlnnnnxnxepxpx e 式中非平衡少子的扩散长度可写成式中非平衡少子的扩散长度可写成 nnpplDlD 在反向偏压
26、下，在反向偏压下，pn结的平结的平衡被破坏，衡被破坏，p区能带相对区能带相对n区区被抬高被抬高eV，此，此时时p区区和和n区的区的费米能级之差为费米能级之差为FPFNEEeV 在在p区和区和n区势垒边处的少区势垒边处的少子浓度分别为子浓度分别为/0/0()()BBeV k TnnneV k Tppppxp enxp e 在反向抽取在反向抽取下，下，p区和区和n区势垒边的非平衡少子浓区势垒边的非平衡少子浓度远低于平衡少子浓度度远低于平衡少子浓度，因此，同平衡少子相比，因此，同平衡少子相比，势垒边的少子浓度近似为零。反向偏压下少子分布势垒边的少子浓度近似为零。反向偏压下少子分布如图所示。如图所示。
27、此时平衡少子向势垒边扩此时平衡少子向势垒边扩散，根据扩散理论和边界条散，根据扩散理论和边界条件可得件可得00()(1)()(1)npxlppxlnnnxnepxpe 在正向偏压下，在正向偏压下，注注入的非平衡少子在扩入的非平衡少子在扩散区内基本上被复合散区内基本上被复合掉，因此流过掉，因此流过n区和区和p区区(扩散区以外扩散区以外)的的少少子扩散电流为零，其子扩散电流为零，其电流主要是多子的漂电流主要是多子的漂移电流移电流。在扩散区，在扩散区，注入的少子扩散电流与多子漂移电流注入的少子扩散电流与多子漂移电流将相互转换：将相互转换：少子不断地与多子复合而转换成多子少子不断地与多子复合而转换成多子
28、漂移电流，直到扩散区边处的注入少子全部复合漂移电流，直到扩散区边处的注入少子全部复合。在反向抽取下，在反向抽取下，扩扩散区内的非平衡少子散区内的非平衡少子低于平衡少子浓度，低于平衡少子浓度，因此产生大于复合，因此产生大于复合，有电子空穴对产生。有电子空穴对产生。其中少子向势垒边扩其中少子向势垒边扩散并被电场扫过势垒散并被电场扫过势垒区，形成区，形成反向漂移电反向漂移电流流。扩散区中产生的非平衡多子，在电场作用下作漂扩散区中产生的非平衡多子，在电场作用下作漂移运动移运动流出扩散区，形成反向漂移电流。流出扩散区，形成反向漂移电流。符合以下假设条件的符合以下假设条件的 pn 结，称为理想结，称为理想
29、pn结。结。在小注入条件下，在小注入条件下，注入的少子浓度远小于平衡多注入的少子浓度远小于平衡多子浓度子浓度，因此，因此p区的载流子浓度可写成区的载流子浓度可写成 00ppppnnnppn区的载流子浓度为区的载流子浓度为 00nnnnpppnn 在势垒区内自由载流子全部耗尽，空间电荷密度在势垒区内自由载流子全部耗尽，空间电荷密度等于电离杂质的电荷密度，即等于电离杂质的电荷密度，即daeNeN 在势垒区以外的在势垒区以外的p区和区和n区没有空间电荷，呈现电区没有空间电荷，呈现电中性，其平衡多子浓度密度等于电离杂质浓度，即中性，其平衡多子浓度密度等于电离杂质浓度，即00pandpNnN 在耗尽近似
30、和电中性近似情况下，外加电压和接在耗尽近似和电中性近似情况下，外加电压和接触电势差都作用在耗尽层上，耗尽层外的半导体为触电势差都作用在耗尽层上，耗尽层外的半导体为电中性，没有电压降。电中性，没有电压降。通过耗尽层的电子电流和空穴电流为常数，不考通过耗尽层的电子电流和空穴电流为常数，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。非平衡少子的浓度远小于非平衡少子的浓度远小于-3-3，即非简并条件，因，即非简并条件，因此满足玻尔兹曼统计分布。此满足玻尔兹曼统计分布。在在p-n结上加偏压结上加偏压V，此时在，此时在p区势垒边少子区势垒边少子电子的浓度为电子的浓度为 TkVVe
31、npBDenn/)(0 由于非平衡少子的电注入，在势垒边处的非平衡由于非平衡少子的电注入，在势垒边处的非平衡少子浓度为少子浓度为)1(/00TkeVpppBennnn 同理同理，在在n区势垒边少子区势垒边少子空穴的浓度为空穴的浓度为 TkVVepnBDepp/)(0在在n区势垒边注入的非平衡少子的浓度为区势垒边注入的非平衡少子的浓度为)1(/00TkeVnnnBepppp 在势垒边积累的少子必各向在势垒边积累的少子必各向p区与区与n区内部扩散，区内部扩散，根据恒电流条件，其扩散流分别为根据恒电流条件，其扩散流分别为)1()()1()(/0/0TkeVnnpnnTkeVppnppBBelDndx
32、xndDjelDpdxxpdDj因此，因此，流过流过 pn 结的电流密度为结的电流密度为)(npjjej 上式就是上式就是理想理想pn 结模型的电流电压方程式，结模型的电流电压方程式，又称又称为为)1(/TkeVsBejj即即ppnnnpslDeplDenj00式中式中 pn结伏安特性曲结伏安特性曲线如图所示。线如图所示。VI 由图可知，由图可知，pn结结具有单向导电性：具有单向导电性：外加正向偏压时，外加正向偏压时，有正向电流流过；有正向电流流过；而在外加反向偏压而在外加反向偏压时，反向电流很小时，反向电流很小并迅速趋于饱和。并迅速趋于饱和。pn结伏安特性结伏安特性曲线具有以下特曲线具有以下
33、特征：征：VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V 在外加正向偏在外加正向偏压较小时，正向压较小时，正向电流很小，几乎电流很小，几乎为零。通常将这为零。通常将这个电压范围称为个电压范围称为死区电压，硅管死区电压，硅管是是00.6V，而锗，而锗管则为管则为00.2V。VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V导通电压导通电压Si=0.60.7VGe=0.20.3V 随着外加正向偏随着外加正向偏压的增加，正向电压的增加，正向电流缓慢增大，只有流缓慢增大，只有当大于某个值时，当大于某个值时，正向电流才明显增正向电流才明显增加。通常规定加。通常规定正向正向电流达到某一明显电流达到某一明显
34、数值时所需要的外数值时所需要的外加正向电压，称为加正向电压，称为pn结的导通电压，结的导通电压，或门槛电压。或门槛电压。VI死区电压死区电压Si=0.6VGe=0.2V导通电压导通电压Si=0.60.7VGe=0.20.3V反向击穿反向击穿电压电压VB 在外加反向偏压在外加反向偏压情况下，随着电压情况下，随着电压的增加，反向电流的增加，反向电流迅速达到饱和。此迅速达到饱和。此时，继续增加反向时，继续增加反向电压，反向电流几电压，反向电流几乎不变。但当电压乎不变。但当电压增大到某个值时，增大到某个值时，反向电流迅速地增反向电流迅速地增加。这个加。这个电压称为电压称为pn结的反向击穿电结的反向击穿
35、电压。压。由肖克莱方程式，可知：由肖克莱方程式，可知：在室温下在室温下VeTkB026.0/一般外加正向电压约零点几伏，故一般外加正向电压约零点几伏，故1/TkeVBe所以正向电流密度可以写成所以正向电流密度可以写成 TkeVsBejj/即即：在正向偏压下，：在正向偏压下，在反向偏压下，在反向偏压下，VkT 时时0/TkeVBe所以得反向电流密度所以得反向电流密度 即即：在反向偏压下，：在反向偏压下，当施加反向电压时，外加电压与内建电压极性相当施加反向电压时，外加电压与内建电压极性相同，从而增加了结区的漂移电流，使之超过扩散电同，从而增加了结区的漂移电流，使之超过扩散电流，其差值构成反向电流。
36、流，其差值构成反向电流。ppnnnpslDplDnejj00 显然，随着反向电压由零开始增加显然，随着反向电压由零开始增加，反向电流迅，反向电流迅速饱和，其数值为速饱和，其数值为 反向漂移电流由少子构成，因而数值很小。反向漂移电流由少子构成，因而数值很小。事实事实上，当施加反向电压时势垒增高，任何处于势垒边上，当施加反向电压时势垒增高，任何处于势垒边界的少子均被势垒区高电场扫入对方，从而使界的少子均被势垒区高电场扫入对方，从而使势垒势垒区边界少子数密度几乎为零。区边界少子数密度几乎为零。ppnnnpslDplDnej00式中，式中，都是平衡少子数密度，数值很低，因都是平衡少子数密度，数值很低，
37、因而而。00nppn 和和 pn结的这种正向导通、反向阻断特性，称为结的这种正向导通、反向阻断特性，称为，或称为或称为 综上所述，综上所述，除非极小的外加电压，除非极小的外加电压，在正、反向电在正、反向电压下流过压下流过pn结二极管的电流数值差异悬殊：结二极管的电流数值差异悬殊：正向表正向表现为低阻导通态现为低阻导通态，而，而反向则表现为高阻阻断态反向则表现为高阻阻断态。由于饱和电流数值极小，因此，由于饱和电流数值极小，因此，反向反向 pn 结结可以可以看作看作是是一个一个高阻高阻阻断阻断层。层。pn结的单向导电性是晶体管工作的基本原理，在结的单向导电性是晶体管工作的基本原理，在检波与整流方面
38、得到广泛应用。检波与整流方面得到广泛应用。VI 比较比较pn结伏安特性的理论结果与实验曲线，可以结伏安特性的理论结果与实验曲线，可以发现：发现：理论计算与实理论计算与实验测量结果之间验测量结果之间的偏差表现为：的偏差表现为：*在正向电压较小在正向电压较小时，理论计算值比时，理论计算值比实验值小。实验值小。*正向电流较大时，电流电压关系符合正向电流较大时，电流电压关系符合 *正向电流大时，电流电压呈现线性关系，而不是正向电流大时，电流电压呈现线性关系，而不是指数关系。指数关系。)2/(TkeVBej 而不是理想而不是理想pn结的电流电压关系。结的电流电压关系。在反向偏压时，实际测量的在反向偏压时
39、，实际测量的反向电流比理论计算反向电流比理论计算值大得多，而且反向电流不饱和，随反向偏压的增值大得多，而且反向电流不饱和，随反向偏压的增大而略有增加。大而略有增加。实验表明，理想实验表明，理想pn结的电流电压方程式同小注入结的电流电压方程式同小注入下下Ge-pn结符合的很好，与结符合的很好，与Si-pn结则偏差较大。影结则偏差较大。影响响pn结伏安特性的结伏安特性的主要原因：主要原因：*表面效应表面效应*势垒区中的产生和复合势垒区中的产生和复合*大注入条件大注入条件*串联电阻效应串联电阻效应 在正向电压下，在正向电压下，p区的空穴和区的空穴和n区的电子区的电子进入势垒进入势垒区，使载流子浓度高
40、于平衡值，从而导致复合率大区，使载流子浓度高于平衡值，从而导致复合率大于产生率。因此，一部分电子于产生率。因此，一部分电子-空穴发生复合，形空穴发生复合，形成复合电流，而不流过成复合电流，而不流过pn结结。设电子和空穴的寿命均为设电子和空穴的寿命均为，复合中心分布均匀，复合中心分布均匀且具有单一有效能级，则由半导体复合理论可得势且具有单一有效能级，则由半导体复合理论可得势垒区的净复合率为垒区的净复合率为/2(1)2(1)BBeV k TieVk TneRe考虑到正向偏压下考虑到正向偏压下，V kBT/e，则势垒区净复合则势垒区净复合率可简化为率可简化为/22BeVk TinRe若势垒区的宽度为
41、若势垒区的宽度为xd，则势垒区的复合电流密度为则势垒区的复合电流密度为/22BeVk Tidrgen xje00/2()(1)2BBpnnpeV k TeVk Tidnpen Dep Den xjeell 考虑势垒区复合电流后，考虑势垒区复合电流后，pn结正向电流密度为结正向电流密度为*仅当正向偏压比较低、或电流比较小时，复合电仅当正向偏压比较低、或电流比较小时，复合电流才起重要作用。当外加电压大于流才起重要作用。当外加电压大于0.5V时，复合电时，复合电流的影响很小。流的影响很小。*本征载流子浓度越大，复合电流的影响就越小。本征载流子浓度越大，复合电流的影响就越小。由于由于Ge的本征载流子浓
42、度大，因此复合电流的影响的本征载流子浓度大，因此复合电流的影响可以忽略；而可以忽略；而SiSi的本征载流子浓度较小，因此在校的本征载流子浓度较小，因此在校电流范围内复合电流的影响就必须考虑。电流范围内复合电流的影响就必须考虑。理想理想pn结的反向电流密度由结的反向电流密度由p区和区和n区势垒边产生区势垒边产生的少子构成，实际上它并不代表的少子构成，实际上它并不代表pn结反向电流的全结反向电流的全部，而只是反向电流的一部分，常称为体内扩散电部，而只是反向电流的一部分，常称为体内扩散电流。流。在反向电压下，由于势垒区对载流子的抽取，空在反向电压下，由于势垒区对载流子的抽取，空间电荷区内载流子浓度低
43、于平衡值，故电子间电荷区内载流子浓度低于平衡值，故电子-空穴空穴对的产生率大于复合率，因此势垒区存在产生电流对的产生率大于复合率，因此势垒区存在产生电流。势垒区产生电流是反向扩散电流之外的一个附加势垒区产生电流是反向扩散电流之外的一个附加反向电流，因此实际反向电流，因此实际pn结反向电流还应该加上产生结反向电流还应该加上产生电流电流。/2(1)2(1)2BBeV k TieVk TineRen 在反向偏压且在反向偏压且V kBT/e，势垒区复合率为势垒区复合率为所以所以势垒区净产生率为势垒区净产生率为2inGR 若势垒区的宽度为若势垒区的宽度为xd，则势垒区的复合电流密度为则势垒区的复合电流密
44、度为2idgen xj00/()(1)2BpnnpeV k Tidnpen Dep Den xjell 考虑势垒区产生电流后，考虑势垒区产生电流后，pn结反向电流密度为结反向电流密度为 在二氧化硅层中，一般都含有一定数量的正电荷在二氧化硅层中，一般都含有一定数量的正电荷（如（如Na离子等），它们将吸引或排斥半导体内的载离子等），它们将吸引或排斥半导体内的载流子，从而形成表面空间电荷流子，从而形成表面空间电荷区。区。+-+-如图所示，在二氧如图所示，在二氧化硅层中正电荷作用化硅层中正电荷作用下，在半导体表面将下，在半导体表面将形成负的空间电荷分形成负的空间电荷分布，对于布，对于pnpn结而言，结
45、而言，相当于空间电荷区延相当于空间电荷区延展、扩大展、扩大。表面空间电荷区中的复合中心将引起附加的正向表面空间电荷区中的复合中心将引起附加的正向复合电流和反向产生电流。复合电流和反向产生电流。在这里，在这里，表面空间电荷区越大，所引进的附加电表面空间电荷区越大，所引进的附加电流也越大，并且在表面电荷足够多的情况下，表面流也越大，并且在表面电荷足够多的情况下，表面空间电荷区的宽度随反向偏压增加而增大，直到表空间电荷区的宽度随反向偏压增加而增大，直到表面空间电荷与氧化层中电荷相等时为止。面空间电荷与氧化层中电荷相等时为止。+-+-在二氧化硅层与硅的交界面处，往往存在相等数在二氧化硅层与硅的交界面处
46、，往往存在相等数量的、位于禁带的能级，称为界面态（表面态），量的、位于禁带的能级，称为界面态（表面态），它们与半导体内的杂质能级类似，可以起到复合中它们与半导体内的杂质能级类似，可以起到复合中心的作用心的作用。表面态的复合中心也将引起附加的正向复合电流表面态的复合中心也将引起附加的正向复合电流和反向产生电流。和反向产生电流。当衬底杂质浓度较低且当衬底杂质浓度较低且SiO2膜中正电荷较多时，衬底表面膜中正电荷较多时，衬底表面将出现反型层，并与扩散层相将出现反型层，并与扩散层相连，使连，使pn结面积增大，因而反结面积增大，因而反向电流增大。向电流增大。+-当当pnpn结表面由于材料原因，或吸附水气
47、、金属离结表面由于材料原因，或吸附水气、金属离子等而引起表面污染时，如同在子等而引起表面污染时，如同在pnpn结表面并联了一结表面并联了一个附加电导，因而将引起表面漏电，使反向电流增个附加电导，因而将引起表面漏电，使反向电流增加，如图所示加，如图所示。在制造工艺中，为了保证硅片的机械强度，对其在制造工艺中，为了保证硅片的机械强度，对其厚度有一定的要求。同时，为了满足厚度有一定的要求。同时，为了满足pn结击穿电压结击穿电压的要求，低掺杂区的电阻率又不能太低。所以，的要求，低掺杂区的电阻率又不能太低。所以，pn结的串联电阻较大。结的串联电阻较大。当电流流过串联电阻时，当电流流过串联电阻时，pn结上
48、的实际电压应为结上的实际电压应为jsVVIR即，串联电阻将导致即，串联电阻将导致pn结上实际电压降低，从而使结上实际电压降低，从而使电流随电压的上升的趋势变慢。电流随电压的上升的趋势变慢。由于结电压与电流成对数关系，在大电流下，电由于结电压与电流成对数关系，在大电流下，电压主要增加在串联电阻上，使电流电压近似为线性压主要增加在串联电阻上，使电流电压近似为线性关系。关系。在大注入情况下、由于自建场的作用，在大注入情况下、由于自建场的作用，pn结正向结正向电流密度应修正为电流密度应修正为2(2)BeVk TnineD njel 同校注入情况下相比：同校注入情况下相比：*大注入时，空穴电流密度与大注
49、入时，空穴电流密度与p区的杂质浓度区的杂质浓度Na无无关。关。这是由于注入这是由于注入p p区的非平衡少子浓度比区的非平衡少子浓度比p p区杂质区杂质浓度高得多，从而削弱了杂质浓度对正向电流的影浓度高得多，从而削弱了杂质浓度对正向电流的影响。响。*大注入时，相当于少子扩散系数大了一倍。大注入时，相当于少子扩散系数大了一倍。这是这是由于小注入时忽略了由于小注入时忽略了p p区电场作用，但在大注入情区电场作用，但在大注入情况下，电场的漂移作用不能忽略。若将漂移作用等况下，电场的漂移作用不能忽略。若将漂移作用等效成扩散作用，就相当于加速了电子扩散，使等效效成扩散作用，就相当于加速了电子扩散，使等效扩
50、散系数增大了一倍。扩散系数增大了一倍。*大注入时，正向电流随外加电压增加上升缓慢。大注入时，正向电流随外加电压增加上升缓慢。这是由于小注入时认为外加电压全部降落在势垒区这是由于小注入时认为外加电压全部降落在势垒区上，但在大注入情况下，外加电压有一部分降落在上，但在大注入情况下，外加电压有一部分降落在p p区，以建立区，以建立p p区自建电场，从而维持多子的积累，区自建电场，从而维持多子的积累，保证电中性条件。保证电中性条件。对于正向电流密度，则有对于正向电流密度，则有 TkEEBgFeTj)23(即，即，对于反向电流密度，可以表示为对于反向电流密度，可以表示为 TkEsBgeTj)23(式中，
