1、第二章第二章 P-NP-N结结半导体器件物理半导体器件物理 引言引言 PNPN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金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，所有结型器件都由属半导体接触器件外，所有结型器件都由PNPN结构成。结构成。PNPN结本身也是一种器件整流器。结本身也是一种器件整流器。PNPN结含有丰富的物理知识，掌握结含有丰富的物理知识，掌握PNPN结的物理原理结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。是学习其它半导体器件器件物理的基础。由由P P型半导体和型半导体和N N型半导体实现冶金学接触（原型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做子级接触）所
2、形成的结构叫做PNPN结。结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（称为结（junctionjunction）,有时也叫做接触（有时也叫做接触（contacontactct）.引言引言 由同种物质构成的结叫做由同种物质构成的结叫做同质结同质结（如硅），由不同（如硅），由不同种物质构成的结叫做种物质构成的结叫做异质结异质结（如硅和锗）。由同种（如硅和锗）。由同种导电类型的物质构成的结叫做导电类型的物质构成的结叫做同型结同型结（如（如P-P-硅和硅和P-P-型硅、型硅、P-P-硅和硅和P-P-型锗），由不同种导电类型的物质型锗），由不同种导电类型的
3、物质构成的结叫做构成的结叫做异型结异型结（如（如P-P-硅和硅和N-N-硅、硅、P-P-硅和硅和N N锗）。因此锗）。因此PNPN结有结有同型同质结同型同质结、同型异质结同型异质结、异型异型同质结同质结和和异型异质结异型异质结之分。广义地说，金属和半导之分。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（叫做金属半导体接触或金属半导体结（M-SM-S结）。结）。引言引言 70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术：面工艺包括
4、以下主要的工艺技术：1950年美国人奥尔（年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱）和肖克莱(Shockley)发发明的离子注入工艺。明的离子注入工艺。1956年美国人富勒（年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。）发明的扩散工艺。1960年卢尔（年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。发明的外延工艺。1970年斯皮勒（年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼）和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成
5、电路造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。和微电子学飞速发展的今天。上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺等构成了硅平面工艺的主体。工艺等构成了硅平面工艺的主体。氧化工艺：氧化工艺：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；）
6、对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为）作为MOS器件的绝缘栅材料；器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；）器件表面钝化作用；（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。常用扩散工艺：液
7、态源扩散、片状源扩散、固常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑固扩散、双温区锑扩散。扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。部扩散。离子注入技术：离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高
8、的能量（场下加速，获得较高的能量（1万万-100万万eV）后直接）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。活，在半导体片中形成一定的杂质分布。离子注入技术的特点：离子注入技术的特点：（1）低温；）低温；（2）可精确控制浓度和结深；）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；）控制离子束的扫描区域，可实现
9、选择注入，不需掩膜技术；（6）设备昂贵。）设备昂贵。外延工艺：外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。材料薄膜。外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。杂质分布陡峭的外延层。外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（）
10、、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。）、原子层外延技术。光刻工艺：光刻工艺：光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而使用的一种工艺技术。等工艺而使用的一种工艺技术。光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域
11、在显影时能够除去，称之为如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶；光的胶被除去称之为负性胶；引言引言采用硅平面工艺制备PN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)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（f)腐蚀SiO2后的晶片 n Si光刻胶SiO2N+N S
12、i SiO2 N+引言引言 P Si N Si SiO2金属 N+N Si P Si SiO2金属 金 属 N+(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结(i)蒸发/溅射金属（j）P-N 结制作完成 采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程 P SiN SiSiO2N+N Si SiO2 N+引言引言突变结与线性缓变结（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）NaNd0 x xj-axNaNd0 x Na-Nd xj（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）图 2.2 引言引言0,(),()jajdxxN xNxxN xN 突变结：线性缓变结：在线性区()N xax 2
13、.1 2.1 热平衡热平衡PNPN结结2.1 2.1 热平衡热平衡PNPN结结 FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0q 漂移 漂移 扩散 扩散 E n p（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图图2-32.1 2.1 热平衡热平衡PNPN结结n 型电中性区 p 型电中性区 边界层 边界层 耗尽区 （c）与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3电场 定义为电势 的负梯度电势与电子势能的关系为可以把电场表示为（一维）取 表示静电势。与此类似，定义 为费米势。qEdxddxdEqi1qEiqEF于是式中 称为热电势.在热平衡情况下，费米势为
14、常数，可以把它取为零基准，于是 TViennTVienpTViennTVienpqKTVT非均匀的杂质分布会在半导体中引起电场，称为自建电场。在热平衡情况下，由 对于N型半导体，有对于P型半导体，有 TViennTVienpidTnNV lndxdNNVdxdddTiaTnNV lndxdNNVaaT2.1 2.1 热平衡热平衡PNPN结结adNN x x x aNdN dN-aN px m 0（a）（b）（c）0 nx 0 图2-4 单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布 2.1 2.1 热平衡热平衡PNPN结结小结小结 名词、术语和基
15、本概念：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、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。耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（结空间电荷区（SCR）的）的形成形成。介绍了热平衡介绍了热平衡PN 结的能带图（图结的能带图（图2.3a、b）及其画法。）及其画法。利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:20lniadTpnnNNV2.1
16、2.1热平衡热平衡PNPN结结 小结小结 解解PoissonPoisson方程求解了方程求解了PNPN结结SCRSCR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：nmxx10kxqNndm20212nndxxkxqN2002dnqN xk21002dnqNkxW2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结 2.2.12.2.1加偏压的结的能带图加偏压的结的能带图 b+V Vq0 FpE FnE qV W（E）FnE N P W FE CE （a）能量（E）N P 能量（）q0 图图2.5
17、 2.5 单边突变结的电势分布单边突变结的电势分布（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W （b）加正向电压，耗尽 层宽度WW2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结 2.2.1加偏压的结的能带图加偏压的结的能带图 P +RV RI 能量（E）RVq0 RqV W（c）N（c）加反向电压，耗尽层宽度加反向电压，耗尽层宽度WW W 图图2.5 2.5 单边突变结的电势分布单边突变结的电势分布2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结 注入注入P P+-N-N结的结的N N侧的空穴及其所造成的电子分侧的空穴及其所造成的电子分布布 图2-7 注入NP 结的N侧的空穴 及其所造成的电
18、子分布 ，x nn 15010nn 312100Dcmn xnqD x np 5010np 312100Dcmp xpqD 2.2 加偏压的 P-N 结 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 VVR,1016 1018 31410cmNbc(a)102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 W m VVR,1018 1016 31410cmNbc(b)图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果（a）mx
19、j1和（b）mxj10 假设为erfc分布且3200/10cmN 2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结 小结 名词、术语和基本概念：名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区 介绍了加偏压介绍了加偏压PN结能带图及其画法结能带图及其画法 根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性：根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性：正偏压正偏压V V使得使得PNPN结结N N型中性区的费米能级相对于型中性区的费米能级相对于P P型中性区的升高型中性区的升高qVqV。在。在P P型型中性区中性区 。在空间电荷区由于。在空间电荷区由
20、于n n、pnpni i，可以认为费米能级不变即等，可以认为费米能级不变即等于于 。在。在N N型中性区型中性区 。同样，在空间电荷区。同样，在空间电荷区 =，于是从空间于是从空间电荷区两侧开始分别有一个费米能级从电荷区两侧开始分别有一个费米能级从 逐渐升高到逐渐升高到 和从和从 逐渐下降逐渐下降到到 的区域。的区域。这就是这就是P P侧的电子扩散区和侧的电子扩散区和N N侧的空穴扩散区（以上分析就是画侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的根据）。能带图的根据）。FEFPEFPEFPEFEFNEFEENEENEFNEFPE2.2 2.2 加偏压的加偏压的 P-N P-N 结结 小结在在电电子子
21、扩扩散散区区和空穴和空穴扩扩散散区区，不等于常不等于常数数，根据修正，根据修正欧欧姆定律必有姆定律必有电电流流产产生，由于生，由于 ，电电流沿流沿x x轴轴正方向，即正方向，即为为正向正向电电流。又由于在空流。又由于在空间电间电荷荷区边区边界注入的非平衡少子界注入的非平衡少子浓浓度很大，因此在空度很大，因此在空间电间电荷荷区边区边界界电电流密度也很大流密度也很大(J J )离离开开空空间电间电荷荷区边区边界界随随着距离的增加注入的非平衡着距离的增加注入的非平衡少子少子浓浓度越度越来来越小（越小（e e指指数减数减少），少），电电流密度也越流密度也越来来越小。越小。反偏反偏压压-使得使得PNPN
22、结结N N型中性型中性区区的的费费米能米能级级相相对对于于P P型中性型中性区区的降低的降低q q 。扩扩 散散区费区费米能米能级级的梯度小于零，因此的梯度小于零，因此会会有反向有反向电电流流产产生。由于空生。由于空间电间电荷荷区电场区电场的抽取的抽取作用，在作用，在扩扩散散区载区载流子很流子很少少，很小，因此很小，因此虽虽然有很大的然有很大的 费费米能米能级级梯梯度，度，电电流却很小且流却很小且趋趋于于饱饱和。和。FE0 xEFxx)(RVPqxpxP)()(FEPqxpxP)()(RV2.2 加偏压的 P-N 结 小结 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：根据载流子扩散与漂移的
23、观点分析了结的单向导电性：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 -V-V打破了打破了PNPN结的热平衡，使载结的热平衡，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。反偏压使空间电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荷区内建电势差由 上升到上升到 +V+V同样打破了同样打破了PNPN结的热平衡，使载流子的漂结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是移运动占优势这种漂移是N N区少子空穴向区少子空穴向P P区和区和P P区少子电子向区少子电子向N N区的漂移，因区的漂移，因此电流是反向的且很小。此电
24、流是反向的且很小。在反偏压下，耗尽层宽度为在反偏压下，耗尽层宽度为 000021002dRqNVkW2.2 加偏压的 P-N 结 小结小结 根据根据 给出了结边缘的少数载流子浓度给出了结边缘的少数载流子浓度：和和 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于是稳态载流子输运满足扩散方程是稳态载流子输运满足扩散方程 20lniadTpnnNNVTVVppenn0TVVnnepp02.3
25、2.3 理想理想P-NP-N结的直流电流结的直流电流-电压特性电压特性突变结的杂质分布突变结的杂质分布N区有均匀施主杂质，浓度为区有均匀施主杂质，浓度为ND，P区有均匀受主杂质，浓度为区有均匀受主杂质，浓度为NA。势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和和-xp。同样取同样取x=0处为交界面，如下图所示，处为交界面，如下图所示，突变结的电荷分布突变结的电荷分布势垒区的电荷密度为势垒区的电荷密度为整个半导体满足电中性条件，整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等势垒区内正负电荷总量相等NAxp=NDxnNAxp=NDxn表明：表明：势垒区内正负空间电荷
26、区的宽度和该区的杂势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。质浓度成反比。杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。边宽度大。例如，若例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则则xp比比xn大大100倍。倍。所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散。所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散。突变结的电场分布突变结的电场分布在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置x的线性函数。的线性函数。电场方向沿电场方向沿x负方向，从负方向，从N区指向区指向P区。区。在在x=0处，电场强度达到最大值处，电场强度达到最
27、大值突变结的电势分布突变结的电势分布电势分布是抛物线形式的电势分布是抛物线形式的adNN x x x aNdN dN-aN px m 0（a）（b）（c）0 nx 0 图2-4 单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布 突变结的电势能（能带图）突变结的电势能（能带图）因为因为V(x)表示点表示点x处的电势，而处的电势，而-qV(x)则表示电子在则表示电子在x点的点的电势能，因此电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。结势垒区的能带如图所示。可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。注入注入
28、P P+-N-N结的结的N 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 图2-6 注入NP 结的N侧的空穴 及其所造成的电子分布 ，x nn 15010nn 312100Dcmn xnqD x np 5010np 312100Dcmp xpqD 在正向偏压一定时，在在正向偏压一定时，在x xp p处就有一不变的向处就有一不变的向P P区内部流动的电子扩散流。区内部流动的电子扩散流。同理，在边界同理，在边界x xn n处也有一不变的向处也有一不变的向N N区内部流动的空穴扩散流。区内部流动的空穴扩散流。非平衡少子边扩散边与非平衡少子边扩散边与P P区的空穴复合，经过扩散长度的距离
29、后，全部被复合。区的空穴复合，经过扩散长度的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区。这一段区域称为扩散区。2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性 正向偏压情况下的的正向偏压情况下的的P-NP-N结结 x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0np 空间电荷层 nx px x 0 少数载流子电流 pI nI nx px x x 0 npIII pI pI nI nI 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 势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，所以在加势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，所以在加正向
30、偏压时，产生了电子从正向偏压时，产生了电子从N区向区向P区以及空穴从区以及空穴从P区到区到N区的净扩散电流。区的净扩散电流。电子通过势垒区扩散入电子通过势垒区扩散入P区，在边界区，在边界xp处形成电子的积累，成为处形成电子的积累，成为P区的非平衡少数区的非平衡少数载流子，结果使载流子，结果使xp处电子浓度比处电子浓度比P区内部高，形成了从区内部高，形成了从xp处向处向P区内部的电子扩散流。区内部的电子扩散流。反向偏压情况下的的反向偏压情况下的的P-NP-N结结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 nI 0 nx p
31、x x x npIII pI pI nI nI 0 nx px NP（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图2-9 反向偏压情况下的的P-N结 练习1.当P-N结外加正向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场_（相反/一致），导致势垒区总的电场强度_（增强/减弱），这说明空间电荷数量_（增多/减少），也就意味着势垒区宽度_（增大/减小），势垒高度_（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动_（大于/小于）扩散运动，形成_（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于/小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的
32、_（电子空穴）的_（扩散漂移），在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移）。2.当P-N结外加反向偏置电压时，外加电压形成的电场方向与内建电场_（相反/一致），导致势垒区总的电场强度_（增强/减弱），这说明空间电荷数量_（增多/减少），也就意味着势垒区宽度_（增大/减小），势垒高度_（增大/减小）。此时，电场强度的变化导致载流子的漂移运动_（大于/小于）扩散运动，形成_（净扩散/净漂移），以致势垒区边界载流子浓度_（大于/小于）该区内部，从而在区形成_（从区势垒边界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移），在区形成_（从区势垒边
33、界向区内部从区内部向区势垒边界）的_（电子空穴）的_（扩散漂移）。PNPN结饱和电流的几种表达形式结饱和电流的几种表达形式：（1）（2-3-18）（2）（2-3-17）（3）（2-3-20（4）（2-3-19）npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpppnLnLpqAI000 电流电压公式（电流电压公式（ShockleyShockley公式）公式）P PN N结的典型电流结的典型电流 电压特性电压特性 10TVVeIInpnpnpLnqADLpqADI000（2-3.16）vV mAI 0.6 5 1
34、0 0I P-N结中总的反向电流等于势垒区边界结中总的反向电流等于势垒区边界xn和和xp附近的少数载流子扩散电流之和。附近的少数载流子扩散电流之和。因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变因为少子浓度很低，而扩散长度基本没变化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；化，所以反向偏压时少子的浓度梯度也较小；当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，下，P-N结的电流较小并且趋于不变。结的电流较小并且趋于
35、不变。反向饱和电流反向饱和电流实际反偏实际反偏P-N 结直流特性的补充说明结直流特性的补充说明 P-N结反偏时，结反偏时，V0，此时势垒边界处的非平衡，此时势垒边界处的非平衡少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的少子浓度比平衡时小，势垒有抽取非平衡少子的作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当作用，扩散电流方向是体内向边界处扩散。当V不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳不变时，边界处非平衡少子的浓度一定，形成稳态扩散。态扩散。当反偏绝对值足够大时当反偏绝对值足够大时，势垒边界处的，势垒边界处的非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度非平衡少子几乎被抽取光了，此时边界少子浓度为零，与
36、体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏为零，与体内少子浓度的梯度不再随外加反向偏压的变化而变化，即压的变化而变化，即反向电流趋于饱和反向电流趋于饱和。当当P-NP-N结满足理想假设条件时，其直流特性具体可分以下四个步骤进行。结满足理想假设条件时，其直流特性具体可分以下四个步骤进行。根据准费米能级计算势垒区边界根据准费米能级计算势垒区边界x xn n和和x xp p处注入的非平衡少数载流子浓度；处注入的非平衡少数载流子浓度；以边界以边界x xn n和和x xp p处注入的非平衡少数载流子浓度作边界条件，解扩散区中载流处注入的非平衡少数载流子浓度作边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中非
37、平衡少数载流子的分布；子连续性方程式，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布；将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度；出少数载流子的电流密度；将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想P-NP-N结模型的电流电压方程式结模型的电流电压方程式理想理想P-N 假设条件假设条件（1 1）小注入条件（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载）小注入条件（即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多）；流子浓度小得多）；（2 2）突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都降落在）突变耗尽层条件：即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，注入的少数载流子在耗尽层上，注入的少数载流子在P P区和区和N N区是纯扩散运动；区是纯扩散运动；（3 3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用中载流子的产生及复合作用；（4 4）半导体均匀掺杂；）半导体均匀掺杂；（5 5）半导体非简并（隧道电流）。）半导体非简并（隧道电流）。
