《电子信息物理学》PPT课件

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1、第四章半导体器件原理4.1pn结特性概述4.1.1平衡pn结pn结：由单晶半导体上相邻两个区（p型区和n型区)的交界面附近的过渡区构成n区掺施主杂质，浓度ND，提供导带电子p区掺受主杂质，浓度NA，提供价带空穴空穴从p区向n区扩散电子从n区向p区扩散同质结：以两种相同的半导体单晶体材料为基础异质结：以两种不同的半导体单晶体材料为基础pn结：在导电类型相反的半导体单晶体材料交界处形成高低结：在导电类型相同的半导体单晶体材料交界处形成n区：（导带）电子多，（价带）空穴少载流子带负电施主离子带正电p区：（价带）空穴多，（导

2、带）电子少载流子带正电施主离子带负电电中性电中性电子多，空穴少空穴多，电子少n区p区n区p区载流子浓度差动态平衡阻止进一步扩散，形成并增强相反方向的漂移运动电子从n区向p区扩散空穴从p区向n区扩散结n区侧聚集正离子结p区侧聚集负离子正空间电荷区负空间电荷区扩散与漂移的动态平衡空间电荷区导致内建电场，热平衡，无外场不产生净电流空间电荷区的正负电荷分离，内建电场，“耗尽”了可动的载流子，空间电荷区也称耗尽区同质pn结能带本征半导体n型半导体p型半导体电子从高EF区流向低EF区（从n区向p区运动）空穴从低EF区流向高EF区

3、（从p区向n区运动）横坐标为空间位置结合热平衡，统一的EFpn结横坐标为空间位置p区n区n区导带电子浓度与p区价带空穴浓度：本征半导体同理n区导带电子电位量：p区价带空穴电位量：接触电位差：室温热电压为VT＝0.026V突变pn结：空间电荷区用泊松（Poisson）方程电中性空间电荷区宽度：接触电位差：4.1.2整流特性假定：Pn结为突变耗尽层、其它为电中性玻尔兹曼近似载流子小注入n区导带电子浓度较大，但内建势垒阻止大电流密度流入p区，达到平衡：n区多子（电子）浓度（完全电离）：p区多子（空穴）浓度（完全电离）：p区

4、少子（电子）浓度：p区少子（电子）浓度与n区多子（电子）浓度的关系1.正向电压作用（pn结少子正向注入）正向电压V=Va>0势垒区内，载流子浓度小、电阻大势垒区外，载流子浓度大、电阻小电压基本降落在势垒区势垒区xD变窄、e（VD－Va）变低漂移运动扩散运动>漂移运动破坏无偏压时的动态平衡净扩散流，少子正向注入－xpxn电子空穴电子从n区流向p区－xp处（少子）电子积累电子向p区内部扩散空穴从p区流向n区xn处（少子）空穴积累空穴向n区内部扩散正向电压V=Va>0P区空穴（多子）向pn结漂移n区电子（多子）向pn结漂移

5、复合复合电子电子扩散区空穴空穴扩散区正负电荷区空穴扩散区电子扩散区P区中性区n区中性区电子扩散区p区（少子）电子流转变为（多子）空穴电流空穴扩散区n区（少子）空穴流转变为（多子）电子电流P区n区势垒较窄较低势垒区载流子浓度变化很小通过pn结任一截面的总电流密度相等J=J0复合电流连续性原理总电流密度：电流密度pnJnJpJnJp-xpxnx＝0总电流密度：求解连续性方程P区结边缘少子（电子）电流密度：n区结边缘少子（空穴）电流密度：理想二极管方程：反向饱和电流密度：实际的pn结，正偏Va时，有一定的正向导通电压禁带宽

6、度Eg正向导通电压室温T=300K，实际的pn结，还需要修正，例如p+n,1

7、度几乎不随电压变化，达到稳定值VR4.1.3电容特性pn结电容：势垒电容、扩散电容、，电容破坏了pn结的整流特性1.势垒电容正向电压V=Va>0V势垒宽度空间电荷（不能移动的正负杂质离子部分被载流子中和）载流子“存入”势垒区V势垒宽度空间电荷（增加不能移动的正负杂质离子）载流子从势垒区“取出”单位面积的势垒电容：势垒宽度：分别为相对介电常数和真空介电常数正向：V正向：－V2.扩散电容正偏电压，少子正向注入扩散区有少子与等量的多子积累单位面积的扩散电容：V4.1.4击穿特性反偏电压V增加到VB（击穿电压）反向电流激烈增

8、大，pn结击穿；击穿分类：隧道击穿（齐纳击穿）、雪崩击穿、热电击穿1.隧道击穿（在掺杂浓度很高的pn结中的击穿）高反偏电压强电场：势垒变薄隧道效应：p侧价带内电子横穿禁带，直接进入n侧导带内，形成反向电流2.雪崩击穿高反偏电压少子扩散到势垒区少子在势垒区中高速漂移少子从电场中获得足够的能量与耗尽区内晶格原子的电子发生碰撞产生许多电子空穴对（二次