第六章 pn结二极管：I-V特性
半导体器件之pn结器件
直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。 忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出N区的正向电流。
空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内 的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。
温度效应：
理想PN结二极管的反向饱和电流密度JS是热平衡条件下少子 浓度np0和pn0的函数：
而np0和pn0都与ni2成正比，由此可见反向饱和电流密度JS是温 度的敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖关系，则有：
可见，在室温下，只要温度升高10ºC，反向饱和电流密度增 大的倍数将为：
例8.5
温度效应对PN结二极管正、反向I－V特性的影响如下图所示。 可见，温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面 二极管的正向导通电压下降。
势垒降低
内建电场减弱
空间电荷区缩短
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
np
nn0
exp
e Vbi Va
kT
np
nn0
exp
e Vbi Va
kT
nn0
exp
eVbi kT
exp
eVa kT
np
np0
exp
Jp
xn
eDp
dpn x
dx
x xn
在pn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：
Jp
xn
eDp
d
pn x
dx
x xn
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
半导体物理学第六章解读
ND X D ND NA
1
Q=eND
Xn
2
0e
(
NDNA ND NA
)(VD
V
2 )
♦单边突变结:
XD
2
e
0
1
(VD V NB
)
2
♦势垒区主要在轻掺杂 一边
• 对p+-n结, NB代表ND • 对p-n+结, NB代表NA
xn X D
xp XD
P+-n结
3. 突变结的势垒电容
电势
图6-8
电子势能(能带)
6.1.5p-n载流子的分布 ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x ) EF
• 反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):
1
CT A
dQ dV
2(
0eND NA
ND NA )(VD
V
)
2
CT 0
A XD
CT
(VD
1 V )1/ 2
• 几点说明:
① p-n结的势垒电容可以等效为一个平行
板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离
② 这里求得的势垒电容, 主要适用于反向 偏置情况
xn
NAXD ND NA
, xp
ND X D ND NA
• 代入上式
VD
q
2 0
( NAND ND NA
)
X
2 D
♦则，平衡p-n结
1
XD
pn结
（2）对于给定的掺杂浓 度，VBR随二极管中半导 体的禁带宽度而增加。
引起击穿的两种物理机制：雪崩倍增和齐纳过程
雪崩倍增 原因：碰撞电离 并非在VA=-VBR处 突然出现雪崩击穿。 而是在远低于击穿 电压时，部分载流 子能够有机会获得 足够的能量来产生 碰撞电离。引入倍 增系数M。
M I I0
P162页：5.9 一个pn结二极管，其掺杂分布参见图p5.9，且满足公式
N D N A N0[1 exp(ax)]
，其中N0和a为常数。
(a) 简要地描述出耗尽近似。 (b) 根据耗尽近似，画出二极管内电荷密度示意图。 (c) 建立耗尽层内电场的表达式。
(1) 在耗尽层内，净电荷正比于ND-NA 在耗尽层外，净电荷为0 (3)
2
D n dp J p ( x' ) qDP q P i (e qVA / kT 1)e x '/ LP dx' LP N D
J J N ( x p) J P ( x xn )
DN ni 2 DP ni 2 qV A / kT I AJ qA 1 L N L N e A P D N
问：下图是室温下一个pn结二极管内的稳态载流子浓度 图，图上标出了刻度。 （a）二极管是正向还是反向偏置？并加以解释。 （b）二极管准中性区域是否满足小电流注入条件？请解 释你是如何得到答案的。 （c）确定外加电压VA。 （d）确定空穴扩散长度LP。
练习：有一个常用的经验估计数字，即pn结正向压降 每增加0.06V，正向电流要增加10倍，而正向电流增加 1倍，pn结正向电压要增加18mV，试解之。
1、pn结结构
制备pn结二极管的主要工艺步骤简图
PN结异常特性I-V曲线
（2）“靠背椅”击穿
• 当PN结加反电压时，在低压下场感应 被击穿。当IR上升到比正常值大得多的 饱和值，由于反向击穿曲线如靠背椅，
故称这种击穿称为“靠背椅”击穿。如图14。
“靠背椅”击穿产生的原因：
1为饱和沟道特性 2为非饱和沟道特性
图14 “靠背椅”击穿特性曲线
• a:表面杂质沾污或氧化层污染，形成表面沟道所致。 • b:外延层杂质补偿太大，热氧化时，由于二氧化硅有吸
• .下面列出集成电路管脚之间所测得的典型曲线。 对于出现异常的特性曲线可参照前面介绍的异常 PN结特性曲线的失效原因进行分析。
（1）开路
• 如两管脚出现如图30所示的特性曲线，说 明两管脚之间加电压后无电流呈开路状态。 在测试时，图示仪Y轴应放到uA档。
图30.IC两管脚开路特性曲线
（2）短路
• 图26为输出特性起始部 分倾斜度大，说明集电极 串联电阻大 。
• 饱和压降大的主要原因：图26饱和压降过大时的输出特性曲线 • 产生饱和压降大的原因较多，例如，引线孔
的氧化层未刻干净；蒸铝层太薄，合金化不 良；外延层太厚；管芯与底座接触不良等。
（6）输出特性漂移
• 其特点是随着测试时间 延长，β值增大。如图27
1．PN结异常特性曲线.
• 要区分异常特性曲线，首先要了解PN结正 常特性曲线，如图11、图12，凡是与PN 结正常曲线不同的一般统称为异常PN结曲 线。由于构成PN结的材料、结构、工艺不 同，对于相同的异常特性曲线，其失效机 理也不完全相同。
（1）软击穿
• 当PN结加反向偏压VR时，反向电流IR 在低压下就开始增加，在伏安特性曲线上， 没有明显的转折点。如图13. • 产生软击穿的原因: • A：PN结表面被水汽和杂质沾污，硅——二氧化硅表面
发光二极管主要参数与特性
发光二极管主要参数与特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流I F与外加电压呈指数关系I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流。
V＞0时，V＞V F的正向工作区I F 随V F指数上升I F = I S e qVF/KT（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流I R（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区V＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- V R时，则出现I R突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MH Z交流信号用C-V特性测试仪测得。
PN结二极管课件黄秋柳PPT
广泛应用于自动控制电路 。
17
稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管
当稳压二极管工作在反 向击穿状态下,工作电 流IZ在Izmax和Izmin之间 变化时,其两端电压近 似为常数
利用稳压二极管微小的电压变化引 起极大的电流变化的特点快速地把 变化的电压反馈到电压调节电阻上， 在稳压电路中串联一个合适的电压 调节电阻就可以把电压调节在需要 的值上。
i
稳定 电压 UZ
I z min
△I
u
I z ma x
△U
18
稳压二极管的主要 参数
(1) 稳定电压UZ —— 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻rZ ——在规定的工作电流下，稳压值的微小变化与通过
二极管电流的变量的比值。 动态电阻值是衡量稳压管稳压能力的一个参数。稳压管的动态电阻 随工作电流大小而改变，工作电流越大，动态电阻越小，工作电流越小， 动态电阻越大。
③满足谐振条件
f=qc/2NL 表明谐振腔长度L和折射率N确定后，只有某些特定频率的光才能形成 光振荡，输出稳定的激光。
25
激光二极管结构及工作原理
当半导体的PN结加有正向电压时，注 入PN结附近的非平衡电子和空穴发生 复合——自发辐射。 当自发辐射所产生的光子通过半导体 时，经过已发射的电子—空穴对附近， 激励二者复合，产生新光子，这种光 子诱使已激发的载流子复合而发出新 光子——受激辐射。 如果注入电流足够大，则会形成和热 平衡状态相反的载流子分布，即粒子 数反转。 当有源层内的载流子在大量反转情况 下，少量自发辐射产生的光子由于谐 振腔两端面往复反射而产生感应辐射， 造成选频谐振正反馈，或者说对某一 频率具有增益。当增益大于吸收损耗 时，就可从PN结发出具有良好谱线的 26 相干光——激光
二极管的特性参数及应用
1） 正向特性 当二极管承受正向电压小于某一数值时， 还不足以 克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区 段二极管正向电流 IF 很小，称为死区。死区电压的大小 与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材 料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电 压约为0.2V。 当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电 场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正 向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本 维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF 为0.7V，锗管的UF为0.3V。
这是最常用的七段数码显示。要使它显示0~9的一 系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。七段数 码显示有共阳极(b)和共阴极 (c)之分。数码管的驱动方 式有直流驱动和脉冲驱动两种，应用中可任意选择。 数码管应用十分广泛，可以说，凡是需要指示或读数 的场合，都可采用数码管显示。
2. 稳压二极管 硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极 管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。 1） 稳压管的伏安特性 稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样； 反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达 到一定数值以后，反向电流突然上升， 而且电流在一 定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很 小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只 要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引 起热击穿而损坏稳压管。
2） 稳压管的主要参数 a. 稳定电压值UVDZ: 稳压管在正常工作时管子的端 电压, 一般为3~25V，高的可达200 V。 b. 稳定电流IVDZ: 稳压管正常工作时的参考电流。 开始稳压时对应的电流最小，为最小稳压电流 IVDZmin ；对应额定功耗时的稳压电流为最大稳压电流 IVDZmax。 c. 动态电阻rVDZ:稳压管端电压的变化量ΔUVDZ与 对应电流变化量ΔIVDZ之比，即 Uv DZ rvDZ Iv DZ
第六章pn结PPT课件
扩散电流与复合电流之比与 V 有关
J扩 exp qV
Jr
2KT
V ，J扩/Jr 迅速 ，低 V时, Jr > J扩
V ，J扩/Jr 迅速 ，高 V时, Jr < J扩
第42页/共68页
J/Js
实际pn结的电流电压特性
第43页/共68页
大注入情况
正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近 或超过该区多子浓度的情况
玻耳兹曼边界条件 －在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布
第24页/共68页
2．正偏时载流子的运动和电流成分
J Jp
Jn
x
xp’
xp
xn
xn’
第25页/共68页
通过pn结的总 J： J = Jp扩（n 区边界）+ Jn扩（ p 区边界）
3．正偏下的电流密度 （推导自学）
qV
J Js e KT 1
Ge: Eg 小，ni2大，反向电流中扩散电流主要 Si: Eg 大， ni2小，反向电流中势垒产生电流主要
第39页/共68页
势垒区的复合电流
正向偏压，从n区注入p区的电子和从p区注入
n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成
了另一股正向电流。
P
N
+
－
总正向电流密度
J正 ＝ J扩＋ Jr
Ε内
复合电流密度 Jr
pn结的正向电 流电压关系式
其中：
Js
qDp Lp
pno
qDn Ln
npo
第26页/共68页
对于p＋n结：
J
q
Dp pn0
qV
(e KT
1)
Lp
对于pn＋结：
完整版发光二极管主要参数与特性
发光二极管主要参数与特性LED 是利用化合物材料制成pn 结的光电器件。
它具备pn 结结型器 件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同， GaAs 为 1V ，红色 GaAsP 为 1.2V , GaP 为 1.8V , GaN 为 2.5V 。
(2) 正向工作区：电流I F 与外加电压呈指数关系I F = I S (e qv F/KT -) ------------------------------ 1 s 为反向饱和电流 。
V >0时，V > V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I s e qVF/KT (3) 反向死区：V v 0时pn 结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流 |R (V 二-5V )时，GaP 为 0V , GaN 为 10uA 。
(4) 反向击穿区 V v - V R , V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R 为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使 V V - V R 时，贝y 出现I R 突 然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。
1.2 C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 9 X 9mil (250 X 250um) , 10X 10mil , 11 X 11mil (280 X 280um) , 12 X 12mil1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。
LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触 电阻，反之为高接触电阻。
如左图：⑴正向死区：(图oa 或oa'段) a 点对于V o 为开启电 压，当V v Va ,外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散V R击 反向死区 穿_---------- 区工作区VFVI-V 特性曲线C0 -C 0(300 X 300um)，故 pn 结面积大 小不一，使其结电容(零偏压) c ~n+pf 左右。
pn结(ppt文档)
尽近似），再利用泊松方程
d dx KS0
求得ξ
与 x的关系。再利用
dV dx
求解V与x的
关系。
5、pn结的势垒高度qVbi
平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差Vbi称pn结的接 触电势或内建电势差。相应的电子电势能之差，即能
带的弯曲量qVbi称为pn结的势垒高度。
练习：已知pn突变结的两边掺杂浓度分别为NA， ND，求解内建电势差Vbi。
定量的静电关系式
• VA=0条件下的突变结
根据耗尽近似：
qNA
qND
0
xp x 0
0 x xn
x xp 或 x xn
根据泊松方程：
qNA
d
dx
KS0 qND KS0
0
xp x 0
0 x xn
x xp 或 x xn
解得：
dV (x)
dx
qN A
KS0
(xp
x)
qND KS0
( xn
x)
解得：
V (x)
qN A 2KS0
(xp
x)2
Vbi
qND 2KS0
( xn
x)2
xp x 0
0 x xn
xp x 0
0 x xn
利用：
N A xp N D xn
EFP EFn qVA
8、pn结势垒区载流子分布
证明：
qVbi qV ( x)
n x nn0e kT
qVbi
np0 nn0e kT
PN结二极管概述、特性、分类
PN结二极管概述、特性、分类PN结二极管概述PN结简述1949年PN结理论发表，1950年制造PN结二极管的扩散法出现，半导体技术从此蓬勃发展，人类进入了微电子时代。
半导体材料有如下的一些特点：半导体材料的电阻率受杂质含量的多少的影响极大，如在硅中只要掺入百万分之一的杂质硼，硅的电阻率就会从214，000Ω·cm下降至0.4Ω·cm；半导体材料的电阻率受外界条件影响很大。
例如温度每升高8℃纯净硅的电阻率就会下降一半左右。
因此，半导体材料可以人为地控制电阻率取得不同的导电性能。
在纯净的半导体材料(如硅)中掺入三价原子(如硼原子、镓原子)形成P型半导体；掺入五价原子(如磷原子、砷原子)的半导体材料形成N型半导体材料。
掺入杂质的P型半导体和N型半导体的电阻率下降、导电性能增强。
P型半导体和N型半导体的导电机制分别为"空穴"和"电子"。
有了P型半导体和N型半导体，就出现了"PN"结。
通过扩散等工艺，把一块半导体材料一边做成N型半导体，一边做成P型半导体。
由于P型区的"空穴"多，N型区"电子"多，在P型区和N型区的交界处，"电子"从高浓度的N区向P区扩散，同时"空穴"从浓度高的P区向N区扩散。
在P区内，"电子"称为少数载流子，在N区内，"空穴"称为少数载流子，扩散到对方的"电子"或"空穴"称为"非平衡少数载流子"。
P型半导体体内的"空穴"成为P 型半导体的"多子"，同理，N型半导体内的"电子"称为N型半导体的"多子"。
这些非平衡少数载流子的注入，必然与对方的多子复合，在交界面附近使载流子成对的消失，并且各留下不能移动的正、负离子，构成一个空间电荷区，出现一个由N区指向P区的内建电场。
半导体专业实验补充silvaco器件仿真
半导体专业实验补充sｉlvａc ｏ器件仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:实验2 PN结二极管特性仿真1、实验内容（1)ＰN结穿通二极管正向I-Ｖ特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。
（2）结构和参数：ＰN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂,ｎ-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度1６μｍ，p+区厚度2μm，n+区厚度２μｍ。
掺杂浓度:p+区浓度为１×１０１9cｍ-3，n+区浓度为１×１０1９cm-3,耐压层参考浓度为５×１01５cm-3。
0 Wp n n图1普通耐压层功率二极管结构２、实验要求（1)掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2）掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。
3、实验过程#启动Aｔhenａgo athenａ＃器件结构网格划分;liｎe x loc=０.0 spac＝0.４line x loc=４．0 spac= 0.4ｌiｎｅｙloc=0.0ｓpａc＝0.5ｌine y loc=2．0 spaｃ=0.1line y loc=1０spac=0.５ｌｉne y ｌoc＝18ｓpaｃ＝0.1line y loc＝20 ｓpaｃ=0.5＃初始化Si衬底;iｎｉｔsilicｏn c.phｏs=5e15 orientａｔｉon=100 two.d#沉积铝;deposit alｕm tｈick=１．1div＝10#电极设置elecｔｒｏde nａme＝ａｎode x=1eｌectrｏdｅnａme=ｃaｔhoｄe bacｋsiｄe#输出结构图structurｅoutｆ=ｃb0.strtonyplotｃｂ0.stｒ＃启动Ａtlasgo aｔlaｓ#结构描述dｏping p．ｔypｅconc=1ｅ２0 ｘ.miｎ=0.0 x.mａｘ＝4.0 y．min=０y.max＝２．0 ｕｎiｆormdopinｇｎ.tyｐe cｏnc=1e20x．min=0．0 x.ｍaｘ=4.０ｙ.min=1８y.maｘ=20.0 ｕniforｍ#选择模型和参数models cｖt srh printｍethｏd carｒｉｅrs=2ｉmpａct selb＃选择求解数值方法methoｄnewton#求解solve initｌog ｏutｆ=cb02.logsｏｌve vanoｄｅ=0.03sｏｌｖe vanodｅ=0.1vsteｐ=0．1 vfｉnal=5 ｎame=aｎode#画出IＶ特性曲线ｔｏnyplot cb02.ｌoｇ#退出ｑuit图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。
第6章半导体器件的基本特性
A
DA DB
F
+3V
B
？
0V
-12V
例2:
D2 D1
求：UAB
3k 12V
6V
两个二极管的阴极接在一起 A + 取 B 点作参考点，断开二极 UAB 管，分析二极管阳极和阴极 – B 的电位。
V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V 流过 D2 的电流为 12 I D2 4mA 在这里， D2 起 3 钳位作用， D1起 D1承受反向电压为－6 V 隔离作用。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复 合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
2
N型半导体和 P 型半导体
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
Si
Si
Si B–
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
第六章 半导体器件的基本特性
PN结器件电流—电压特性
实验一 PN 结器件电流一电压特性一、基本原理PN 结是半导体结型器件的核心，是IC 电路的最基本单元，诸多半导体器件都是由PN结组成的。
最简单的结型器件是半导体二极管， 根据不同场合的用途， 使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管，如整流二极管、检波二极管、光电二极管（发光二极管、光敏二 极管）等；三极管与结型晶体管就是由两个PN 结构成的。
因此深入了解与掌握PN 结的基本特性，是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。
PN 结的最重要特性是单向导电性，即具有整流特性。
也就是说，正向表现低阻性，反 向为高阻性。
若在 PN 结上加上正向偏压（P 区接正电压、N 区接负电压）则电流与电压呈 指数关系，如下式式中q 是电子电荷，K 是波尔兹曼常数，T 是工作温度（K ）, V 是外加电压，n 是复合因子， 根据实际测量曲线求出。
随着电压缓慢升高，电流从小急剧增大，按指数规律递增。
对于用川-V 族宽禁带材料制成的发光二极管而言，当外加电压 V 0.5 V 、电流很小时（I 0.1 mA ）,则通过结内深能级复合占主导地位，这时 n ~ 2。
随着外加电压的升高，PN 结载流子注入以扩散电流起支配作用，I 就急剧上升，这时 n ~ 1。
根据实际测量I-V 关系求得n 值大小就可作为判断一个结型二极管优劣的标志。
如果PN 结两边外加反向偏压（P 区接负压、N 区接正电压）这时在 PN 结空间电荷层内 载流子的漂移运动大于扩散运动。
（从P 区内电子向N 区运动，N 区内空穴向P 区运动）从 而空间电荷层展宽，载流子浓度低于热平衡状态下平衡浓度。
反向 PN 结在反偏压比较大时空间电荷区宽度式中，0为自由空间电容率， 介电常数，N 0为PN 结低掺杂边的凈杂质浓度。
所以在外加 反向偏压V V B （反向击穿电压）时，电流 I 值很小，反向偏置 PN 结电流很小、表现很 高电阻性。
当反向偏压一旦增加到某一定值 V B ,则 反向电流瞬间骤然急速增大（如图所示） ，这 现象叫做PN 结的击穿，V B 称为击穿电压。
第六章pn结二极管：I-V特性
二极管）
NA
非对称结中，重掺杂一 侧的影响较小，可忽略
6.2.4 结果分析 （4）载流子电流
6.2.4 结果分析
（4）载流子浓度
0偏
正偏
反偏
6.2.4 结果分析
讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化
例题2
将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管 上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为 NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性 区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与 x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边 界10倍和20倍扩散长度的位置
0偏
反偏
正偏
6.2.1 定性推导
1.热平衡状态
电子从n区扩散到p区需有足够 的能量克服“势垒”。只有少 数高能量的电子能越过势垒到 达P区，形成扩散流。
P区的电子到达n区不存在势垒， 但是少子，少数电子一旦进入 耗尽层，内建电场就将其扫进n 区，形成漂移流。
热平衡：电子的扩散流=漂移流
空穴的情况与电子类似
热平衡
耗尽层 边界
小注入条件成立： 少子在准中性 区的分布
6.2.4 结果分析
6.3 与理想情况的偏差
1。理想理论与实验的比较 击穿
Si pn结的I-V特性曲线
耗尽层中载流子的复合和 产生
6.3 与理想情况的偏差
理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结果符合较好， 与Si和GaAs p-n结的实验结果偏离较大。 实际p-n结的I-V特性： （1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值，曲线斜率q/2kT （2）正向电流较大时，理论计算值比实验值大（c段） （3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系 （4）反向偏压时，实际反向电流比理论计算值大得多，而且
PN结异常特性I-V曲线
（2）“靠背椅”击穿
• 当PN结加反电压时，在低压下场感应 被击穿。当IR上升到比正常值大得多的 饱和值，由于反向击穿曲线如靠背椅，
故称这种击穿称为“靠背椅”击穿。如图14。
“靠背椅”击穿产生的原因：
1为饱和沟道特性 2为非饱和沟道特性
图14 “靠背椅”击穿特性曲线
• a:表面杂质沾污或氧化层污染，形成表面沟道所致。 • b:外延层杂质补偿太大，热氧化时，由于二氧化硅有吸
• 如两管脚出现如图31所示的特性曲线，说 明两管脚之间在加很低电压就出现较大电 流，说明两管脚没有压降呈短路状态。图 示仪X轴应放到每格1伏以下。
图31.IC两管脚短路特性曲线
（3）电阻
• 如两管脚之间出现如图32所示的特性曲线， 说明两管脚之间存在电阻
图32..IC两管脚有一个电阻的特性曲线
（4）PN结与电阻并联
（3）特性曲线倾斜
• 图24为输出特性曲线倾斜，
Ib=0曲线是平的，随着Ib增
大，曲线倾斜比较严重。通
常还伴有β大和击穿电压低
的特征。
• 特性曲线倾斜的主要原因：
• 当Vce增加时，由于基区太薄而产图生24显输出著特的性曲基线倾区斜宽 度调变效应。因为电结势垒区扩展，有效区宽度减 小，β增大，因而在同样Ib条件下，IC就随着Vce增 大而上升。基区太薄往往是由于发射区杂质扩散掌 握不够，扩散深度太大引起的。
• 对于内引线键合点开路或断续性开路的集成电路，用性能测 试不一定能显示出开路的失效特征。因此，在性能测试之前 已怀疑被分析器件可能是开路或断续性开路时，必须对每一 端脚进行连通性测试。大部分双级和MOS集成电路的端脚在 结构上都有二极管与地或VCC连接。测定各端脚与衬底间的 正向特性,并与器件的原理图和结构进行比较分析(最好能与 好品的测试结果进行比较)，就能对开路部位作出初步的判 断。
8.2 异质PN结的I-V特性及注入特性
第八讲8.2 异质PN结的I-V 特性及注入特性1、低势垒尖峰形异质结：势垒尖峰顶低于 p 区导带底，其能带结构如图示。
这种异质 pn 结的电流主要由扩散机制决定，用扩散模型来处理。
针对不同的异质结构，人们提出了多种异质结伏安特性的模型，下面我们以突变反型pN异质结不同的势垒峰型为例来分析。
施加一正向偏压 V 时，通过该异质结的电流密度为：p2n1n p 1020n1p20()exp()1D D qV J J J q n p L L k T ⎡⎤=+=+-⎢⎥⎣⎦式中：D n1 、L n1 分别为窄禁带半导体中电子的扩散系数和扩散长度； D p2 、L p2 分别为宽禁带半导体中空穴的扩散系数和扩散长度； n 10 和 p 20 分别为 p 型窄禁带半导体和 n 型宽禁带半导体的热平衡少子浓度。
上式表明，在正向偏压下，异质 pn 结的电流随电压按指数规律增加。
()p210D v p p200exp exp 1qD p q VE qV J L k T k T -+∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦c n 0exp E J k T ⎛⎫∆∝ ⎪⎝⎭v p 0exp E J k T ⎛⎫∆∝- ⎪⎝⎭式中的 J n 、J p 也可用 n 区、p 区多子浓度 n 20 、p 10 表示：△E c 和 △E v 都是正值，且比室温时的 k 0T 大得多，故有：通过异质结面的电流主要由电子电流构成，而空穴电流所占的比例很小。
()D c n120n n100exp exp 1q V E qD n qV J L k T k T --∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦J n >> J p从上式看到，J n 和 J p 主要由△E c 和 △E v 决定，即：一、异质结的I-V特性2、高势垒尖峰形异质结：n 区的势垒尖峰顶较 p 区导带底高得多， n 区扩散到结面处的电子，只有能量高于势垒尖峰的电子才能通过发射机制进入 p 区，可以采用热电子发射模型来处理。
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（e) 扩散流=漂移流，总电流为0，达到热
平衡 （f)空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布 达到稳定。
6.1 pn 结及其能带图
3. pn结热平衡时的能带图
方 法 一
EF EV p N v exp( ) k0T EC EF n N c exp( ) k0T
电场从n区指向p区，电势从n 方 法 区到p区逐渐降低，电子的电 二 势能增加，空间电荷区能带发 生弯曲，正是空间电荷区中电 势能变化的结果。
0偏
反偏
正偏
6.2.1 定性推导
1.热平衡状态
电子从n区扩散到p区需有足够 的能量克服“势垒”。只有少 数高能量的电子能越过势垒到 达P区，形成扩散流。 P区的电子到达n区不存在势垒， 但是少子，少数电子一旦进入 耗尽层，内建电场就将其扫进n 区，形成漂移流。
空穴的情况与电子类似
热平衡：电子的扩散流=漂移流
LN N A
6.2.4 结果分析 （4）载流子电流
6.2.4 结果分析
（4）载流子浓度
0偏
正偏
反偏
6.2.4 结果分析
讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化
例题2
将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管
上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为
NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性
（1）扩散方程
（2）边界条件 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过pn结的电流
6.2.1 定性推导
6.2.1 定性推导
n p ( x ) 0
pn ( x ) 0
6.2.1 定性推导
由pn结定律得耗尽层的边界定性推导
6.2.1 定性推导
反偏时的能带/电路混合图
6.2.1 定性推导
pn结的I-V特性曲线
正向偏置下p-n结费米能级
反向偏置下p-n结费米能级
6.2.2 定量求解方案
理想p-n结，满足以下条件的p-n结
（1）二极管工作在稳态条件下
（2）杂质分布为非简并掺杂的突变结
p=n0
(x)= -qNA
DN n J（ (e N x x p ) J N ( x 0) q LN N A
'' qVA D p ni2 D N ni2 I JA qA( )(e kT 1) L p N D LN N A
2 i
qVA kT
1)
6.2.4 结果分析
6.2.4 结果分析
(1)正向偏置： q I I 0 (e ln( I ) ln( I 0 ) VA kT (2)反向饱和电流
1 p-n 结的形成和杂质分布 在一块n型半导体单晶上，用适当的方 法（扩散或离子注入）把p型杂质掺入其 中，使其在不同的区域形成p型和n型， 在二者的交界面处形成了pn结。
pn结二极管的制备
6.1 pn 结及其能带图
冶金结的位置
杂质浓度随位置的变化曲线
6.1 pn 结及其能带图
理想化的杂质分布近似
6.3 与理想情况的偏差
2、反向偏置的击穿
当反向电流超过允许的最大值（如1mA或1A）时
对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR.
对于p+n和n+p突变结二极管中，击穿电压主要由
轻掺杂一边的杂质浓度决定
6.3 与理想情况的偏差
1 VBR 0.75 NB
雪崩倍增是主要击穿过程
P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图
6.2.1 定性推导
正偏时的能带/电路混合图
6.2.1 定性推导
3.反向偏置：
势垒高度变高，n型一侧几乎 没有电子能越过势垒进入p区， p区一侧有相同数目的电子进
入耗尽层扫入n区，形成少子
漂移流，同理n区的空穴漂移 形成IP，因与少子相关，所以
电流很小，又因为少子的漂移
与势垒高度无关，所以反向电 流与外加电压无关。
第六章 pn结
6.1 pn 结及其能带图
6.2 pn结电流电压特性
6.3 与理想情况的偏差*（了解）
6.1 pn 结及其能带图
据统计：半导体器件主要有67种，另外
还有110个相关的变种
所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
6.1 pn 结及其能带图
6.2.3严格推导
0 Dn
d 2 n p dx
2
n p
n
( x ' ' 0)
'
n p ( x '' ) 0
2 A n n p ( x '' 0) i (e kT 1) NA qV
p
区
n p ( x '' ) A1e
'' 2 i
x L n
''
A2 e
6.2.1 定性推导
2.加正偏电压
势垒高度降低，n型一侧有更多的 电子越过势垒进入p区，p区一侧有 相同数目的电子进入耗尽层扫入n 区，形成净电子扩散电流IN
同理可分析空穴形成扩散电流IP。
流过pn结的总电流I=IN+IP。 因为势垒高度随外加电压线性下降，
而载流子浓度随能级指数变化，所
以定性分析可得出正偏时流过pn 结的电流随外加电压指数增加。
隧穿发生的两个条件：
1、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态 2、势垒宽度小于10-6cm
隧穿过程示意图
6.3 与理想情况的偏差
反向偏置pn结二极管中隧穿过程的示意图
6.3 与理想情况的偏差
二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺杂一侧的杂
质浓度高于1017cm,齐纳过程比较显著，对应的二 极管的击穿电压比较小，当VBR<6Eg/q,齐纳过程
'
qV
n
区 p( x ) A1e
'
P
A2 e
qVA kT
x' Lp x' L P
'
n p n ( x ) (e ND
2 i
1)e
qVA 2 x qD d p n p L n i kT P J P ( x ' ) qD p ( e 1 ) e ' LP N D dx
突变结
线性缓变结
杂质分布 x<xj, N(x)=NA x>xj, N(x)=ND （x)=qax
0
2. pn 结的形成过程和电荷再分配
(a)孤立的p型和n型区域 （b）pn结接触，p区空穴扩散到n区，在p 区边界剩下NA-；n区电子扩散到p区， 在n边界剩下ND+ (c) NA-,ND+形成内建电场，方向从n→p (d) 内电场的作用下，载流子漂移
NA ND NAND 1 kT [kT ln( ) kT ln( )] ln( ) 2 q ni ni q ni
6.1 pn 结及其能带图
势垒高度qVbi 势垒宽度xD=xn+xp
6.1 pn 结及其能带图
5.耗尽近似
耗尽近似是对实际电荷 分布的理想近似，包含 两个含义： （1）在冶金结附近区 域，-xp<x<xn,与净杂质 浓度相比，载流子浓度 可忽略不计
区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与
x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边
界10倍和20倍扩散长度的位置
热平衡
耗尽层 边界 小注入条件成立： 少子在准中性 区的分布
6.2.4 结果分析
6.3 与理想情况的偏差
1。理想理论与实验的比较
击穿
Si pn结的I-V特性曲线
耗尽层中载流子的复合和 产生
（2）耗尽区以外的电 荷密度处处为0。
6.2 pn结电流电压特性
将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参
数之间建立定性和定量的关系。
6.2.1 定性推导：
分析过程，处理方法
6.2.2定量推导：
建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求
解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。分析 实际与理想公式的偏差
IG R
IG-R随反向电压增加而增加，总反向电流IR=Is+IG-R 势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产
qniW 2
Is （
qDn n p 0 Ln
qD p pn 0 LP
）
生的电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。
（2）在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值，
欧姆接触边界条件
pn ( x ) 0
n p ( x ) 0
6.2.3严格推导
d 2 p n p n ' 0 DP ( x 0) 2 p dx p n ( x ' ) 0
2 A n ' i p ( x 0) (e kT 1) ND ' x L
6.3 与理想情况的偏差
雪崩击穿和齐纳击穿 小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞，
但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格
原子“电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从 而产生电子空穴对。
6.3 与理想情况的偏差
齐纳击穿
隧穿效应：量子力学中， 当势垒比较薄时，粒子能 穿过势垒到达另一边。
对二极管的击穿电流有明显贡献，当VBR<4Eg/q,
齐纳过程起主导作用。
雪崩击穿电压随温度升高而增加
齐纳击穿占主导时，击穿电压随温度升高而减小。