1、会计学1半导体器件物理半导体器件物理PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由，所有结型器件都由PN结构成。结构成。PN结本身也是一种器件整流器。结本身也是一种器件整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。件物理的基础。由由P型半导体和型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做构叫做PN结结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触
2、都称为任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（结（junction）,有时也有时也叫做叫做接触（接触（contact）。1.PN结定义：结定义：第1页/共93页2.几种分类：几种分类：因此因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触或金属半导体结（做金属半导体接触或金属半导体结（M-S结结）。）。同质结：同质结：由同种物质构成的结（如硅）；由同种物质构成的结（如硅）
3、；异质结：异质结：由不同种物质构成的结（如硅和锗）由不同种物质构成的结（如硅和锗）；同型结：同型结：由同种导电类型的物质构成的结由同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-硅和硅和P-锗、锗、N-硅和硅和N-锗）；锗）；异型结：异型结：由不同种导电类型的物质构成的结由不同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-硅和硅和N-硅、硅、P-锗和锗和N锗）；锗）；第2页/共93页3.采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程结的主要工艺过程N Si N+(a)抛光处理后的型硅晶片 N+(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作 光刻胶 N Si SiO2 N+(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d
4、)图形掩膜、曝光 光刻胶 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片n Si光刻胶SiO2N+（f)腐蚀SiO2后的晶片 N Si SiO2 N+第3页/共93页采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程结的主要工艺过程 N Si SiO2 N+(g)完成光刻后去胶的晶片 P Si N Si SiO2金属 N+(i)蒸发/溅射金属 N Si P Si SiO2金属 金 属 N+（j）PN 结制作完成(h)通过扩散（或离子注入）形成 PN结P SiN SiSiO2N+第4页/共93页4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 1)突变结：突变结：0,(
5、);0,()ADxN xNxN xNP区和区和N区杂质过渡陡峭区杂质过渡陡峭单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）DANNDNANx00,(),()jAjDxxN xNxxN xNNaNd0 x Na-Nd xj第5页/共93页4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 2)线性缓变结：线性缓变结：在线性区：在线性区：()()jN xa xx 两区之间杂质过渡是渐变的两区之间杂质过渡是渐变的DANNx0DAddNNax 常数()N xax NaNd0 x xj-ax第6页/共93页1.PN结空间电荷区的形成结空间电荷区
6、的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前在形成结之前N型材料中费米能级靠近导带底，型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近型材料中费米能级靠近价带顶。当价带顶。当N型材料和型材料和P型材料被连接在一起时，型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必费米能级在热平衡时必定恒等定恒等。FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0yq 漂移 漂移 扩散 扩散 E ny py（a a）在接触前分开的）在接触前分开的P P型和型和N N型硅的能带图型硅的能带图 （b b）接触后的能带图）接触后的能带图第7页/共93页2.PN
7、结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）（热平衡系统划分）恒定费米能级的条件恒定费米能级的条件是由电子从是由电子从N型型一边转移至一边转移至P型一边，空穴则沿相反型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移方向转移实现的。电子和空穴的转移在在N型和型和P型各边分别留下未被补偿型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的施主离子和受主离子。它们是荷电的，固定不动的，称为的，固定不动的，称为空间电荷空间电荷。空。空间电荷存在的区域叫做间电荷存在的区域叫做空间电荷区空间电荷区。（c c）与（与（b b）相对应的空间电荷分布）相对应的空间电荷分布 n 型电中性区 p
8、型电中性区 边界层 边界层 耗尽区 第8页/共93页3.几个概念几个概念耗尽近似：耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。子密度为零。内建电势差：内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用做内建电势差（用 表示）。表示）。0y势
9、垒区：势垒区：N区电子进入区电子进入P区需要克服势垒，区需要克服势垒，P区空穴进入区空穴进入N区也需要克区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。中性近似：中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于电离杂质浓度电离杂质浓度，因而保持电中性，因此，因而保持电中性，因此PN结空间电荷区外结空间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。等，不存在电场。第9页/共93页4.空间电荷区内建电势差空间电荷区内建电势
10、差(N型一边和型一边和P型一边中性区之间的电位差）型一边中性区之间的电位差）方法一：方法一：（中性区电中性条件）2200()dadqpnNNdxkky exp()TViiTnnneVyy由一维泊松方程：由一维泊松方程：取费米势为零基准时：取费米势为零基准时：exp()TViiTpnneVyy（2-2）由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：022dxdy0dapnNN即：即：（2-4）第10页/共93页方法一：方法一：（中性区电中性条件）（2-5）对于对于N型的中性区，假设型的中性区，假设 ，。即。即 ，连并（，连并（2-2a）代入）代入（2
11、-4）中，得）中，得N区中性区电势为：区中性区电势为：0aN pn0aNpidTnnNV lny采用同样的方法，得到采用同样的方法，得到P型中性区的电势为：型中性区的电势为：iaTpnNV lny（2-6）因而，在因而，在N型一边与型一边与P型一边中性区之间的电位差为型一边中性区之间的电位差为20lniadTpnnNNVyyy（2-7）第11页/共93页方法二：（方法二：（费米能级恒定费米能级恒定）从费米能级恒定的观点来看，热平衡从费米能级恒定的观点来看，热平衡PN结具有统一的费米能级。形成结具有统一的费米能级。形成PN结之前结之前N区费米能级比区费米能级比P区费米能级高。形成区费米能级高。形
12、成PN结之后，费米能级恒定要结之后，费米能级恒定要求求N区费米能级相对区费米能级相对P区费米能级下降，则原费米电势差区费米能级下降，则原费米电势差 即即PN结中结中N型与型与P型中性区间电势差型中性区间电势差 。0y未形成未形成PN结之前的结之前的N区（区（P区）的电子（空穴）浓度为：区）的电子（空穴）浓度为：()/FniEEKTdinNne可以得到分别的费米能级为：可以得到分别的费米能级为：idiFnnNKTEEln再由热电势再由热电势qKTVT，得：，得：021()lndaFnFpTiN NEEVqnylnaFpiiNEEKTn()/iFpEEKTaipNn第12页/共93页方法三：（方法
13、三：（在平衡状态下，净的空穴电流密度为零在平衡状态下，净的空穴电流密度为零）并可进一步求出内建电势为并可进一步求出内建电势为 np0pn00ddlnxpxpkTxxpqy pppd0dpJqDqpx 从上式可解出内建电场，从上式可解出内建电场，pp1 ddDpxpxp0n0lnpkTqpp0n0lnlnkTppqAD02ilnN NkTqny 由于由于 ，故得：，故得：22iip0An0n0DnnpNpnN第13页/共93页5.利用利用Poisson方程求解单边突变结方程求解单边突变结(P+N)SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度N侧侧Po
14、isson方程方程：220dqNddxky P侧侧Poisson方程方程：220aqNddxkyadNN x x x aNdN dN-aN px my 0y（a）（b）（c）0 nx 0 0nxx0pxx空间电荷的电中性：空间电荷的电中性：apdnN xN x空间电荷层宽度：空间电荷层宽度：pnWxx对于单边突变结：对于单边突变结：adNNnpxxpnnWxxx单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布第14页/共93页对对N侧侧Poisson方程方程220dqNddxky adNN x x x aNdN dN-aN px my 0y（a）（b）（c）0 nx 0 边界条件：边界条件：应用应用做一
15、次积分：做一次积分：0()dnqNdxxdxky,nxx0ddxyddxy 得：得：1mnxx0dnmqN xk 22012dnnqN xxkxy 边界条件：边界条件：,nxx0y再次积分：再次积分：第15页/共93页adNN x x x aNdN dN-aN px my 0y（a）（b）（c）0 nx 0 很小，由电势连续性，很小，由电势连续性，22012dnnqN xxkxy 内建电势差：内建电势差：px0()()npxxyyy()(0)pxyy2002dnqN xky0y扩散电势或自建电势扩散电势或自建电势0qy热平衡下的势垒高度热平衡下的势垒高度耗尽层宽度：耗尽层宽度：12002ndk
16、wxqN y思考：思考：利用利用Poisson方程求解突变结方程求解突变结SCR（非单边）（非单边）内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度第16页/共93页6.学习要求学习要求1)掌握下列名词、术语和基本概念：掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。性区、内建电场、内建电势差、势垒。2)分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（结空间电荷区
17、（SCR)的形成的形成3)正确正确画出画出热平衡热平衡PN 结的能带图（图结的能带图（图2.3a、b）。）。4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：20lniadTpnnNNVyyy5)解解Poisson方程求解单边突变结方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。耗尽层宽度。（2-7）第17页/共93页第18页/共93页1.加偏压的加偏压的PN结的能带图结的能带图1)热平衡时热平衡时2)加正向偏压时加正向偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为W耗尽层宽度为耗尽层宽度为WW第19页/
18、共93页加正向偏压时加正向偏压时远离远离PN结空间电荷区的中性区的准费米能级结空间电荷区的中性区的准费米能级 和和 。偏压。偏压 使热平衡使热平衡费米能级分裂，费米能级分裂，N区准费米能级区准费米能级 相对相对P区准费米能级区准费米能级 上移上移 。相应地，相应地，N区各个能级上移区各个能级上移 。势垒高度降至。势垒高度降至 。FnEFpEVFnEFpEqVqV在空间电荷区由于在空间电荷区由于 ，可以认为费米能级，可以认为费米能级 和和 通过空间电荷区时分通过空间电荷区时分别不变。别不变。,in pnFnEFpE在空间电荷区在空间电荷区N侧，空穴准费米能级从侧，空穴准费米能级从 逐渐升高逐渐升
19、高,最后与准电子费米能最后与准电子费米能级级 相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为空穴扩散区空穴扩散区。类似地，。类似地，在空间电荷区在空间电荷区P侧侧 逐渐下降逐渐下降,最后与空穴准费米能级最后与空穴准费米能级 相等。这个电子准相等。这个电子准费米能级变化的区域，称为费米能级变化的区域，称为电子扩散区电子扩散区。FpEFnEFnEFpE0()qVy第20页/共93页3)加反偏压时加反偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为WW N区接正电位，在远离区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，结空间电荷区的中性区，及诸能级相对及诸能级相对P区区 下移下移 。F
20、pERqVFnE在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 和和 不变。不变。FnEFpE势垒高度增加至势垒高度增加至 ，增高的势垒阻挡载流子通过，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通过结扩散，通过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：0()RqVy12002RdkVWqNy（2-23）第21页/共93页4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性在电子扩散区和空穴扩散区，在电子扩散区和空穴扩散区，不等于常数，根据修正欧姆定律必有电不
21、等于常数，根据修正欧姆定律必有电流产生，由于流产生，由于 ，电流沿，电流沿x 轴正方向，即为正向电流。又由于在空间轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电流密电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电流密度也很大度也很大(，)离开空间电荷区边界随着距离的增加注入离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（的非平衡少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。指数减少），电流密度也越来越小。FE0 xEF()Jxx PqxpxP)()(反偏压反偏压 使得使得PN结结N型中性区的费米能级相对于型中性区的费
22、米能级相对于P型中性区的降低型中性区的降低 。扩散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷扩散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽取作用，在扩散区载流子很区电场的抽取作用，在扩散区载流子很少少，很小，因此虽然有很小，因此虽然有很大的费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。很大的费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。RqVPqxpxP)()(RV第22页/共93页5)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性 正偏压使空间电荷区内建电势差由正偏压使空间电荷区内建电势差由 下降到下降到 打破了打破了PN结的热
23、平衡，结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由空间电荷区内建电势差由 上升到上升到 同样打破了同样打破了PN结的热平衡，使载流结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是子的漂移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向区少子空穴向P区和区和P区少子电子向区少子电子向N区区的漂移，因此电流是反向的且很小。的漂移，因此电流是反向的且很小。0y0Vy0y0Vy第23页/共93页在正偏压下，外加电压降低了在正偏压下，外加电压降低了PN结的势垒，加强了电子从结的势垒，加强了电子从N侧到侧
24、到P侧的扩侧的扩散以及空穴从散以及空穴从P侧到侧到N侧的扩散。侧的扩散。2.少数载流子的注入与输运少数载流子的注入与输运000022lnlnlnlnnpopdannpTTTTiiponon ppN NnVVVVnnnpyyy0nn0pnN侧和侧和P侧平衡电子浓度侧平衡电子浓度0np0ppN侧和侧和P侧平衡空穴浓度侧平衡空穴浓度自建电势自建电势：TVpnenn000y（2-27）TVnpepp000y平衡时结边缘的载流子浓度平衡时结边缘的载流子浓度第24页/共93页TVpnenn000yTVnpepp000y加上偏压加上偏压 ，V结电势变为结电势变为 0Vy0()TVVnpnn eynnpnN侧
25、和侧和P侧空间电荷层边缘的电子浓度侧空间电荷层边缘的电子浓度考虑低水平注入，考虑低水平注入，0nnnn得得：0TV Vppnn e类推得类推得：0TV Vnnpp e空间电荷层边缘空间电荷层边缘的少数载流子浓度的少数载流子浓度正向少子注入：正向少子注入：当当PN结加上正向偏压时，在结边缘结加上正向偏压时，在结边缘00,ppnnnnpp反向少子抽取：反向少子抽取：当当PN结加上反向偏压时，在结边缘结加上反向偏压时，在结边缘00,ppnnnnpp1)结边缘的少数载流子浓度结边缘的少数载流子浓度第25页/共93页2)空间电荷效应和扩散近似空间电荷效应和扩散近似在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完
26、全得到满足。注入载流子通在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注入载流子通过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为扩散近似扩散近似。在扩散近似下，。在扩散近似下，稳态载流子输运满足扩散方程稳态载流子输运满足扩散方程。注入注入P+N结的结的N侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布第26页/共93页3.学习要求学习要求1)掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区2)正确画出加偏压正确画出加偏压PN结能带图。结能带图。3)根据能带图和修正欧姆定律
27、分析结的单向导电性根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性4)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性5)掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-23）12002RdkVWqNy6)导出少数载流子浓度公式导出少数载流子浓度公式（2-29）和（）和（2-30）第27页/共93页第28页/共93页1.理想的理想的P-N结的基本假设及其意义结的基本假设及其意义1)外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻
28、。意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。2)均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。3)空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。4)小注入，即小注入，即00TV Vnnnpp en00TV Vpppnn ep5)半导体非简并半导体非简并第29页/共93页2.载流子分布载流子分布满足边界条件满足边界条件000(1)TnnnV VnnxWpppexx解得解得00sinh(1),()sinhTnpV VnnnnnnpWxLpppexxWxL解稳态扩散方程解稳态扩散方程2020nnnppd pppDdx第30页/共93页2.
29、载流子分布载流子分布()00(1),()npTx xLV Vnnnnpppeexx对于长二极管对于长二极管 ，上式简化为，上式简化为PN结结P侧的电子分布为侧的电子分布为()00(1),()pnTx xLV Vppppnnneexx 少数载流子分布少数载流子分布npWL第31页/共93页3.电流分布电流分布()0(1),()npTxxLpV VnppnnpqDdpJqDpeexxdxL 对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为在空间电荷层边缘在空间电荷层边缘()0(1),()npTxxLpV VpnnpqADIpeexxL（2-40）nxx，空穴电流为，
30、空穴电流为0()(1)TpV VpnnpqADIxpeL空穴电流分布改写为空穴电流分布改写为()(),()npx xLppnnIIx exx（2-42）第32页/共93页3.电流分布电流分布0()(1)TpV VpnnpqADIxpeL()(),()npx xLppnnIIx exx（2-47）类似，电子电流分布为类似，电子电流分布为空穴电流分布为空穴电流分布为()(),()pnx xLnnppIIx exx 0()(1)TV VnnppnqADIxneL x x 少数载流子电流 pI nI 0 nx px 第33页/共93页3.电流分布电流分布公式（公式（2-42）和（）和（2-47）指出，
31、由于少子电流沿远离）指出，由于少子电流沿远离PN结的方向而结的方向而e指指数地减小。因为总电流相对于数地减小。因为总电流相对于x来说必定不变，才能满足电流连续性。所来说必定不变，才能满足电流连续性。所以多子电流必须随着以多子电流必须随着x增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，少子电流通过电子少子电流通过电子空穴对的复合不断地转换为多子电流。空穴对的复合不断地转换为多子电流。x x 0 npIII pI pI nI nI nx px 电子电流和空穴电流：电子电流和空穴电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：忽略空间电荷区的复合电流和产
32、生电流，得总电流：npnpnpLnqADLpqADI0000()()(1)TV VpnnpIIxIxIe二极管饱和电流二极管饱和电流第34页/共93页4.PN结饱和电流的几种表达方式结饱和电流的几种表达方式(一般是反向饱和电流一般是反向饱和电流)20ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpppnLnLpqAI000npnpnpLnqADLpqADI000200(,in pn0,dnN0)apN2()gEKTicvnN N e2(,pppLD2)nnnLD理想理想PN结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。结饱和电流来源于扩散区内产生的非
33、平衡少数载流子。（2-49d）（2-49c）二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成（2-49a）（2-49b）对于对于P+N(N+P)单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。第35页/共93页5.反向偏置反向偏置PN结的少子分布和电流分布结的少子分布和电流分布x x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0pn 空间电荷层 nx px x x 少数载流子电流 pI
34、nI 0 nx px x x npIII pI pI nI nI 0 nx px（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流反向偏压反向偏压RTVV00(1)RTVVIIeI 反向饱和电流反向饱和电流00pnpnpnnpIqALqAL 分别是分别是PN结空穴扩散区和电子扩散结空穴扩散区和电子扩散区所发生的空穴产生电流和电子产生电区所发生的空穴产生电流和电子产生电流流第36页/共93页6.PN结的典型电流结的典型电流 电压特性电压特性 PN结正向电流随外加电压结正向电流随外加电压e指数增加，反向电流则很小，这就是指数增加，反向电流则很小，这就是PN结的单向导电性。结的单向导电
35、性。vV mAI 0.6 5 10 0I 第37页/共93页7.学习要求学习要求1)了解理想了解理想PN结基本假设及其意义。结基本假设及其意义。2)根据公式（根据公式（2-37）导出长）导出长PN结少子分布表达式。结少子分布表达式。3)理解公式（理解公式（2-48）、（）、（2-49)。4)根据公式（根据公式（2-49d）解释理想）解释理想PN结反向电流的来源。结反向电流的来源。5)画出正偏压下画出正偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。结少子分布、电流分布和总电流示意图。6)理解反偏压下理解反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。结少子分布、电流分布和总电流示意图。第38页/
36、共93页1.复合电流（在正偏压的时候出现）复合电流（在正偏压的时候出现）正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 ，这些过量，这些过量载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会有载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会有复合。复合。2ipnn复合电流复合电流：0WrecIqAUdx考虑最大复合条件考虑最大复合条件,tiEE2i0i(2)npnUnpn外加电压外加电压 V 时，时，200inxpxn /2ieTV Vn xp xn在势垒区中，平衡时，在势垒区中，平衡时，可见：可见：当当 V=0 时，时，
37、np=ni2，U =0，不发生净复合；不发生净复合；当当 V 0 时，时，np ni2，U 0，发生净复合；发生净复合；当当 V 0 时，时，np ni2，U VT 时，把扩散电流记为时，把扩散电流记为TTVVipVVdpipdenqALeNLnDqAI0223.复合电流与扩散电流的比较（复合电流与扩散电流的比较（对于对于P+N结）结）TTVVRVVireceIeWqAnI22022ec2TpVVdirdLIneIWN上式表明，若上式表明，若 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅半导体材料的禁带
38、宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅PN结比锗结比锗PN结势结势垒区复合电流大；垒区复合电流大；PN结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。diNn第42页/共93页4.产生电流（在反向偏压的时候出现）产生电流（在反向偏压的时候出现）PN结处于反向偏压，空间电荷区中结处于反向偏压，空间电荷区中 ，有：，有：2ipnn产生率：产生率：02inU 产生电流：产生电流：02AWqnWUqAIiG由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱饱和和的的，产生电流也随着反向偏压的增加而
39、增加，产生电流也随着反向偏压的增加而增加。第43页/共93页5.学习要求学习要求理解并掌握概念：正偏复合电流理解并掌握概念：正偏复合电流 反偏产生电流反偏产生电流推导公式（推导公式（2-54）、（）、（2-57）、（）、（2-61）理解低偏压下空间电荷区的复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越理解低偏压下空间电荷区的复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主要成分成为主要成分第44页/共93页1.量子力学的隧道效应量子力学的隧道效应当当PN结的结的P侧和侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透势垒侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透势垒而产生额外的电流而产生额外的电流2.产生隧
40、道电流的条件产生隧道电流的条件（1）费米能级位于导带或价带的内部；）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（）、（2）条件满）条件满足。足。外加偏压可使条件（外加偏压可使条件（3）满足。）满足。第45页/共93页3.隧道效应隧道效应NoImageVEFnECEFPE
41、p(a)0K和没有外加偏压和没有外加偏压(b)CEFPEFnEVEEq外加正向偏压外加正向偏压I V）（e）（a）（b）（c）（d VEFPECEFnE(c)外加正向偏压外加正向偏压第46页/共93页4.隧道效应隧道效应I V）（e）（a）（b）（c）（d(d)CEFnEVEFPE外加正向偏压外加正向偏压FnECEVEFPE(e)外加反向偏压外加反向偏压第47页/共93页5.隧道机制分析隧道机制分析简化的隧道穿透几率：简化的隧道穿透几率：hqmTBei328exp23WEB21238expBeiqmhWTB势垒高度势垒高度W空间电荷层宽度（势垒厚度）空间电荷层宽度（势垒厚度）代入得：代入得：（
42、2-64）则隧道电流可为则隧道电流可为：Bq I 0 x Wx ithnTqAvI thv隧道电子的速度隧道电子的速度第48页/共93页5.隧道机制分析隧道机制分析若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流 电压曲线则将电压曲线则将被改变成示于图被改变成示于图2-14b中的情形。这称为反向二极管中的情形。这称为反向二极管I V）（e）（a）（b）（c）（d V I 第49页/共93页6.隧道二极管的特点和应用上的局限性隧道二极管的特点和应用上的局限性（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过）隧道二极管是利用多子的隧道效
43、应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声较低的噪声。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二级管的，使隧道二级管的工作温度范围大工作温度范围大。（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作可以在极高频率下工作。这种优越的。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡
44、器，双稳态触发器和单稳多谐振性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二极管的利用受到限制道二极管的利用受到限制。第50页/共93页7.学习要求学习要求了解产生隧道电流的条件了解产生隧道电流的条件画出能带图解释隧道二极管的画出能带图解释隧道二极管的IV特性特性了解隧道二极管的特点和局限性了解隧道二极管的特点和局限性第51页/共93页1.PN结处于正向偏置结处于正向偏置001
45、TTV VV VIIeI e20ianndppnNLDNLDqAI202TVVirecqAnWIeTVVianndpprecdenNLDNLDWII202总电流（扩散电流）：总电流（扩散电流）：（2-48）复合电流：复合电流：（2-57）得：得：（2-66）式中式中 随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（SiSi 0.3V）就使）就使 占优势。占优势。indI第52页/共93页2.PN结处于反向偏置结处于反向偏置0IIdianndpprecdnNLDNLDWII02（2-67）随着温度增加，随着温度增加，增大，也是扩散
46、电流占优势。增大，也是扩散电流占优势。in无论是在正向还是反向偏置，无论是在正向还是反向偏置，PN结的温度特性主要取决于二极管方结的温度特性主要取决于二极管方程：程：01TV VIIe（2-48）反向偏压情况下，二极管反向偏压情况下，二极管IV特性的温度效应：特性的温度效应：20ianndppnNLDNLDqAI（2-49b）第53页/共93页3.PN结处于反向偏置结处于反向偏置20ianndppnNLDNLDqAI（2-49b）相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。KTEigeTnI0320（2-68）对对T求导，所得的结果除以求导，所得的结果除以
47、，得到，得到0I20200031KTEKTETdTdIIgg（2-69）反映了反偏压情况下，二极管反映了反偏压情况下，二极管IV特性的温度效应。特性的温度效应。20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V T C 第54页/共93页4.PN结处于正向偏置结处于正向偏置0TV VII e取取（2-70）导出：导出：dTdIIVTVdTdVTI001常数TVTVVdTdIIIdTdI001常数代入代入（2-69）式，得到）式，得到 TqEVdTdVg0201KTqVEdTdIIg（2-72）I，A 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2
48、10-1 100 10-5 150C 25C-55C V V 结电压随温度变化十分灵敏，常结电压随温度变化十分灵敏，常用来精确测温和控温用来精确测温和控温第55页/共93页5.学习要求学习要求了解了解PN结结IV特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系了解公式（了解公式（2-68）、（）、（2-72）、（）、（2-73）第56页/共93页1.耗尽层电容耗尽层电容 已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结的两个半边内空间已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结的两个半边内空间电荷直接正比于耗尽层宽度，则有：电荷直接正比于耗尽层宽度，则有：dRdNVqKAWqANQ002yRdVdQC 210
49、02yRdVNqkAC（2-74）空间电荷层小信号电容：空间电荷层小信号电容：得：得：（2-76）C称为称为过渡电容过渡电容或或耗尽层电容耗尽层电容有时亦称为有时亦称为势垒电容势垒电容第57页/共93页1.耗尽层电容耗尽层电容 PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。常用常用 关系：关系：21RCV020221yRdVANqKC（2-77）21C 0y RV 1、根据该图中的直线斜率可以计、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。算出施主浓度。2、使直线外推至电压轴可求出自建、使直线外推至电压轴可求出自建电压。在截距处电压。在截距处RV
50、0y第58页/共93页2.求杂质分布求杂质分布 在杂质分布未知的在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容结中，可以利用电容 电压曲线描绘出轻掺杂一边电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此称求杂质分布。考虑任意杂质分布：的杂质分布，此称求杂质分布。考虑任意杂质分布：（2-78）x xN WN W dW dWWqANdQ 式中式中 是在空间电荷层边缘是在空间电荷层边缘 处的处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间是与电荷增量之间具有如下关系：具有如下关系：WNW0dQdEkA电场增量偏压增量的具有如下关系电场增量偏压增量的具有如下关系：dVdEW（2-80）第
