第三单元半导体双极器件(PN结)ppt课件.ppt

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1、第三单元：半导体双极器件第一章：P-N结P—N结是晶体二极管和三极管中最基本的环节，是半导体器件的核心部分。在制造晶体管和半导体集成电路时，其主要工艺就是制造性能良好的P—N结。P-N结理论是结型晶体管的物理基础，因此在学习晶体管原理时，首先应该很好掌握p—n结的基本理论。第一章：P-N结第一章：P-N结二.平衡PN结平衡PN结：无外加电压且通过结的净电流为零。1.空间电荷区：P区与N区结合在一起时，由于存在极大的载流子浓度梯度，导致P区的空穴向N区扩散和N区的电子向P区扩散。随着自建电场的增强，空间电荷不断增多，空间电荷区也不断扩大，则载流子的漂移电流不

2、断加大。达到平衡时，流过PN结的净电流为零，空间电荷区不再展宽。空间电荷区内存在一从N区指向P区的自建电场。2.平衡PN结的能带：平衡PN结的费米能级不随位置变化本征费米能级Ei随位置的变化与电子电势能的变化一致，即：（3-1）（3-2）（3-3）3.P－N结接触电势差平衡P-N结的空间电荷区两端间的电势差VD，称为平衡P-N结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为P-N结的势垒高度。(3-4)非简并半导体：(3-5)(3-6)(3-7)三．平衡P-N结的载流子分布(3-8)空间电荷区内处的电子和空穴浓度：(3-9)(3-1

3、0)得：（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）四.平衡P-N结的电场i.突变结对非简并半导体，假设杂质全部电离，在空间电荷区：(3-16)假设空间电荷区内自由载流子密度为零，即耗尽层近似，则电荷密度可表示为：（3-17）（3-18）（3-19）（3-20）求解一维泊松方程：（3-21）利用边界条件：（3-22）（3-23）（3-24）最大电场为于X=0处：（3-25）利用处电势分布连续性，可得：（3-26）（3-27）（3-28）（3-29）线性缓变结：电荷是对称分布的，PN结界面为原点，其浓度梯度为a。（3-30）(3-31)(3-

4、32)(3-33)五．P-N结电流电压特性1）非平衡PN结给PN结加上外电压V，结两边的电势差从平衡时的-VD变为-（VD±V）。势垒高度的变化将引起势垒区内电场的变化，破坏了平衡，须用准费米能级描述非平衡PN结各处的载流子浓度。正向偏置，势垒降低，在PN结界面处发生少子的注入效应。反向偏置：势垒增高，在PN结界面处发生少子的抽取。2）理想PN结模型及电流电压方程l小注入条件l突变耗尽层l忽略势垒区内载流子的产生与复合l玻尔兹曼边界计算理想PN结电流的步骤：l根据费米能级计算势垒区边界处注入的非平衡少数载流子浓度；l以边界处注入的非平衡少数载流子浓度作边界

5、条件，解扩散区中载流子连续性方程，得到扩散区中非平衡少数载流子分布；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，再算出少数载流子的电流密度；求边界处的非平衡少数载流子浓度：(3-34)(3-35)(3-36)(3-37)为多数载流子，即（3-38）（3-39）同理可得n区边界处少数载流子浓度为：（3-40）（3-41）注入势垒区边界处的非平衡少数载流子是外加电压的函数在稳态时，空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程为：（3-42）小注入时，很小，可忽略不计，在扩散区内Ex=0：（3-43）方程的通解为：（3-44）其中：边界条件：得：（3-45）

6、同理可得注入P区的非平衡少子：（3-46）在小注入时，扩散区内不存在电场，在x=xn处，空穴扩散流密度为：（3-47）同理，在x=-xp处的电子扩散流密度为：（3-48）通过P-N结的总电流密度为：（3-49）（3-50）（3-51）（3-51）式为理想P-N结电流电压方程式，又称肖克莱方程式。A．P-N结具有单向导电性。B．温度对电流密度的影响很大：（3-52）二极管电流随温度升高而迅速增大并且越大的半导体变化越快。六．P-N结电流电压特性偏离理想方程的因素：实验测量表明，理想的电流电压方程式和小注入下锗P-N结的实验结果符合较好，但与硅P-N结的实验结

7、果偏离较大。由图看出，在正向偏压时，理论与实验结果间的偏差为：①正向电流小时，理论计算值比实验值小；②正向电流较大时，曲线C段J—V关系为③在曲线d段，J—V关系不是指数关系，而是线性关系。在反向偏压时,实际测得的反向电流比理论计算值大得多，而且反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略有增加。砷化镓P—n结情况和硅P—n结相似。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下PN结情况，还必须考虑其他因素的影响，使理论更进一步完善。引起上述差别的主要原因有：①表面效应；②势垒区的产生及复合；③大注入条件；④串联电阻效应。1．PN结空间电荷区中的复合、产生电流：

8、设复合小心是最典型的深能级，，所以，并忽略电子和空穴寿命的差别，复