晶体管原理第二章.ppt

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1、PN结是构成各种半导体器件的基本单元。第2章PN结P区NAN区ND平衡状态：PN结内部的温度均匀稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。2.1PN结的平衡状态2.1.1空间电荷区的形成空穴扩散：P区N区电子扩散：P区N区扩散电流方向为，P区N区P区N区NA-，pp0ND+，nn0内建电场空间电荷区P区N区NA-ND+NA-pp0ND+nn02.1.2内建电场、内建电势与耗尽区宽度PN以上的E(x)就是PN结的内建电场。1.N区P区的电场为Vbi与掺杂浓度、温度及半导体的材料种类有关。在常用的掺杂浓度范围

2、和室温下，硅的Vbi约为0.75V。（2-13）对内建电场作积分可得内建电势Vbi2、内建电势可求出N区与P区的耗尽区宽度：3、耗尽区宽度总的耗尽区宽度：2.1.3能带图N区P区由图可见，电子从N区到P区必须克服一个高度为qVbi的势垒，空穴从P区到N区也必须克服一个同样高度的势垒，所以耗尽区也被称为“势垒区”。PN2.2PN结的直流电流电压方程PN结二极管的直流电流电压特性曲线面积为Vbi2.2.1外加电压时载流子的运动情况外加正向电压V后，PN结势垒高度由qVbi降为q(Vbi-V)，使扩散电流大于漂移电流

3、，形成正向电流。由于正向电流的电荷来源是N区电子和P区空穴，它们都是多子，所以正向电流很大。PNx0平衡时外加正向电压时外加电场内建电场面积为Vbi-VVP区N区0正向电流密度由三部分组成：1、空穴扩散电流密度Jdp(在N区中推导）2、电子扩散电流密度Jdn(在P区中推导）3、势垒区复合电流密度Jr(在势垒区中推导）外加反向电压V(V<0)后，PN结的势垒高度由qVbi增高到q(Vbi-V)，xd与都增大。PNx0平衡时外加反向电压时外加电场内建电场面积为Vbi-V面积为Vbi多子面临的势垒提高了，难以扩散到对

4、方区域中去了，但少子更容易被反向电场拉入对方区域，从而形成反向电流。由于反向电流的电荷来源是少子，所以反向电流很小。VP区N区0反向电流密度也由三部分组成：1、空穴扩散电流密度Jdp2、电子扩散电流密度Jdn3、势垒区产生电流密度Jg（Jg与Jr可统称为Jgr)以上两式常被称为“结定律”，对正、反向电压均适用。但在正向时只适用于小注入。2.2.2结定律在N型区与耗尽区的边界处，在P型区与耗尽区的边界处，2.2.3扩散电流外加正向电压时PN结中的少子分布图为P区N区注入N区的非平衡空穴，在N区中一边扩散一边复合，

5、其浓度随距离作指数式衰减。衰减的特征长度就是空穴的扩散长度Lp。每经过一个Lp的长度，非平衡空穴浓度降为1/e。P区N区外加反向电压时PN结中的少子分布图为N区中势垒区附近的少子空穴全部被势垒区中的强大电场拉向P区，所以空穴浓度在势垒区边界处最低，随距离作指数式增加，在足够远处恢复为平衡少子浓度。减少的空穴由N区内部通过热激发产生并扩散过来补充。PN结总的扩散电流密度（N区内的空穴扩散电流+P区内的电子扩散电流）Jd为当V=0时，Jd=0，当V>>kT/q时，当V<0且

6、V

7、>>kT/q时，Jd=-J0室温下硅

8、PN结的J0值约为10-10A/cm2的数量级。IVI00J0乘以PN结的结面积A，得：反向饱和电流2.2.4势垒区产生复合电流请同学自己看书复习2.2.5薄基区二极管本小节的结果在第3章中有重要用途。薄基区二极管是指，PN结的某一个或两个中性区的长度小于少子扩散长度。PNWB0这时其扩散电流Jd会因为少子浓度的边界条件不同而有所不同。但势垒区产生复合电流Jgr的表达式无任何变化。解扩散方程得到的N区中的非平衡少子分布为对于薄基区二极管，WB<

9、似地可得P区中的非平衡少子分布np(x)的表达式。薄基区二极管中的少子分布图为2.3大注入效应大注入条件：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度。在N区中xn附近，或在P区中（-xp）附近，N区当发生大注入时，PN结的电流电压关系为这时，PN结的lnI~V特性曲线的斜率，将会从小注入时的(q/kT)过渡到大注入时的(q/2kT)。2.4PN结的击穿雪崩倍增隧道效应热击穿击穿现象击穿机理：电击穿2.4.1雪崩击穿反向电压可使被碰撞的价带电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这就是碰撞电离

10、。碰撞电离主要发生在反偏PN结的耗尽区中。之后,新的载流子再被加速,再与原子碰撞,又继续产生一对新的电子空穴对…….,这种现象称为雪崩倍增。对于突变结，可见，禁带宽度EG越大，则击穿电压VB越高；约化杂质浓度N0越低，VB越高。对于单边突变结，N0就是低掺杂一侧的杂质浓度，因此击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质浓度越低，则VB越高。对于线性缓变结，结面曲率半径的影响由扩散工艺所形成