半导体器件之pn结器件 课件.ppt

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1、pn结二极管pn结二极管pn结静态特性回顾理想pn结正偏电流-电压特性pn结的小信号模型空间电荷区中的产生与复合电流（非理想特性）pn结二极管的击穿特性同质pn结性质回顾同一均匀半导体冶金结空间电荷区内建电场耗尽区零偏pn结pn结的零偏、反偏和正偏零偏状态下内建电势差形成的势垒维持着p区和n区内载流子的平衡内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡pn结两端加正向偏压Va后，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上；由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性P区和N区的体电阻相比耗尽区电阻很大。势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va

2、)；正向偏置电压Va在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。产生了净扩散流；电子：N区→P区空穴：P区→N区热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了净扩散流。在空间电荷区的两侧产生了过剩载流子；通过势垒区进入P区的电子和进入N区的空穴分别在界面（-xp和xn）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为正向注入，由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为少子注

3、入。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为小注入。边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散，经过大约几个扩散长度后，又恢复到了平衡值。理想PN结电流－电压特性方程的四个基本假设条件：PN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；载流子分布满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似；满足小注入的条件；通过PN结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空穴电流在PN结中各处是一个连续函数；电子电流和空穴电流在PN结耗尽区中各处保持为恒定常数。推导理想PN结电流－电压特性方程时所用到的各种物理量符号如表所示边界条件加正向偏压

4、后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱势垒降低空间电荷区缩短内建电场减弱扩散电流>漂移电流空间电荷区边界处少数载流子浓度注入采取小注入假设，多子浓度nn0基本保持不变，nn=nn0偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度注入水平和偏置电压有关P区少子电子的浓度比热平衡时值大很多注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处

5、的少数载流子浓度基本为零。正偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况反偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况例8.1少数载流子分布假设：中性区内电场为0无产生稳态pn结长pn结作业题6.11，例8.4===小注入n型半导体N区内过剩少子电子的双极运输方程小注入电子的寿命双极扩散系数双极迁移率过剩载流子产生率过剩载流子复合率边界条件双极输运方程可以简化为：长pn结双极输运方程的通解为：从边界条件可以确定系数A=D=0，同时，在xn、x-p处的边界条件可以得出：由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处

6、的少数载流子分布正偏反偏理想pn结电流pn结电流为空穴电流和电子电流之和空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值因此耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在pn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：利用前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在pn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x轴正向的，即从p型区流向N型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近P型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：在pn结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着x轴正方向的

7、。若假设电子电流和空穴电流在通过pn结耗尽区时保持不变，则流过pn结的总电流为：物理意义总结：PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PN结的总电流不变，二者之差就是多子的漂移电流。以N型区中的电子电流为例，它不仅提供向P型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与P型区中注入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过PN结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。例8.4上式即为理想pn结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义Js为：则理想pn结的电流-电压特性可简化

8、为：尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为Js当PN结正偏电压远大于Vt时，上述电流－电压特性方程中的－1项就可以忽略不计。PN结二极管的I－V特性及其电路符号如下图所示。在流过PN结的正向电流中，电子电流与空