半导体物理与器件第八章pn结二极管
半导体与电子器件PN结与二极管
半导体与电子器件PN结与二极管半导体与电子器件一直是电子科技领域的重要组成部分，其中PN 结与二极管是半导体器件中常见且关键的元件。
本文将介绍PN结和二极管的基本原理、结构以及主要应用。
一、PN结的基本原理和结构PN结是由P型半导体和N型半导体的结合形成的。
P型半导体中的杂质原子掺入了三价元素，如硼（B）元素，使得半导体中存在电子空穴对，形成P型半导体；N型半导体则是通过掺入五价元素，如磷（P）元素，引入多余的电子而形成。
当P型和N型半导体相接触时，由于浓度差异，会出现电子从N型半导体转移到P型半导体的趋势，形成一个电子亏损区和一个电子富集区，即PN结。
PN结的结构可以简单分为P区、N区和结区。
P区富集了电子空穴对，N区则富集了自由电子。
结区是PN结最关键的部分，由于P区富电子空穴对，N区富自由电子，两者通过扩散在结区发生重组，形成电子亏损区和电子富集区。
这种扩散导致在PN结附近出现自愿产生的电场，并在不同的电势下形成一个势垒。
这个势垒阻碍了电子和空穴进入对方区域，从而形成了PN结的特性。
二、二极管的基本原理和结构二极管是基于PN结构的半导体器件，具有两个电极，分别为阴极（Cathode）和阳极（Anode）。
二极管可分为正向偏置和反向偏置两种状态，取决于电压的极性。
1. 正向偏置在正向偏置下，即将正电压施加在P区，负电压施加在N区。
这样，电子从N区跨越PN结进入P区，同时空穴从P区进入N区，两者在PN结重组后均得到补偿。
在正向偏置下，PN结的势垒得到降低，电流可以流通，形成导通状态。
二极管此时表现为低电阻状态，允许电流通过。
2. 反向偏置在反向偏置下，即将正电压施加在N区，负电压施加在P区。
这样，电子会受到势垒的阻碍无法通过，空穴也无法进入N区。
因此，在反向偏置下，PN结的势垒增加，形成一个高电阻状态，阻止电流流过，此时二极管处于关闭状态。
三、PN结和二极管的应用PN结作为半导体的基本结构，广泛应用于各种电子器件中，包括二极管、三极管、场效应管等。
半导体物理与器件习题
第一章 固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是 。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm 。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？ 7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？第二章 量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是： 、 、 、 。
第三章 固体量子理论初步1．能带的基本概念⏹ 能带（energy band ）包括允带和禁带。
⏹ 允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。
⏹ 禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。
⏹ 允带又分为空带、满带、导带、价带。
⏹ 空带（empty band ）：不被电子占据的允带。
⏹满带（filled band ）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
2．什么是漂移电流？漂移电流：漂移是指电子在电场的作用下的定向运动，电子的定向运动所产生的电流。
3．什么是电子的有效质量？晶格中运动的电子，在外力和内力作用下有： Ｆ总＝Ｆ外＋Ｆ内=ma, m 是粒子静止的质量。
Ｆ外=m*n a, m*n 称为电子的有效质量。
4．位于能带底的电子，其有效质量为正，位于能带顶电子，其有效质量为负。
5．在室温T=300K ，Si 的禁带宽度：Eg=1.12eV Ge 的禁带宽度：Eg=0.67eV GaAs 的禁带宽度：Eg=1.43eVEg 具有负温度系数，即T 越大，Eg 越小；Eg 反应了，在相同温度下，Eg 越大，电子跃迁到导带的能力越弱。
半导体物理学中的pn结
半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。
而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。
本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。
一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。
p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。
n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。
当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。
二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。
n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。
由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。
同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。
这就是常说的耗尽区。
在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。
而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。
当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。
反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。
三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。
而在反向偏置下则会截止，不导电。
这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。
2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。
在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。
3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。
这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。
四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。
2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。
什么是PN结和二极管
什么是PN结和二极管PN结是半导体物理学中的一个基本概念，它是由P型半导体和N型半导体接触在一起形成的结构。
在P型半导体中，空穴是多数载流子，而在N型半导体中，电子是多数载流子。
当P型和N型半导体接触时，N型半导体中的电子会向P型半导体中的空穴移动，形成大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对称为载流子。
由于载流子的数量大大超过了原来的数量，所以形成了电荷不平衡，产生了电场，这个电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，最终达到了一种电荷分布的平衡状态，形成了PN结。
二极管是一种基于PN结的半导体器件，它具有单向导电性。
当二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位时，PN结处于正向偏置状态，此时电子和空穴会大量移动，形成电流，二极管导通。
而当正极连接到低电位，负极连接到高电位时，PN结处于反向偏置状态，此时电场会阻止电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
二极管广泛应用于电子电路中，如整流、调制、稳压、信号检测等。
它们是现代电子技术中不可或缺的基本元件之一。
习题及方法：1.习题：PN结的形成过程中，为什么会产生电场？解题方法：回顾PN结的形成过程，分析P型和N型半导体接触时电荷不平衡的原因，以及电场的作用。
答案：PN结形成过程中，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子大量移动，形成了电子-空穴对。
这些电子-空穴对使得PN结区域内的电荷分布不平衡，产生了电场。
电场的作用是阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到电荷分布的平衡状态。
2.习题：二极管在正向偏置和反向偏置状态下，分别会发生什么现象？解题方法：分析二极管的正向偏置和反向偏置过程，以及对应的电荷分布和电流情况。
答案：在正向偏置状态下，二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位。
此时，PN结中的电场减弱，电子和空穴大量移动，形成电流，二极管导通。
在反向偏置状态下，二极管的正极连接到低电位，负极连接到高电位。
此时，PN结中的电场增强，阻止了电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
半导体基础PN结与二极管的应用
半导体基础PN结与二极管的应用半导体技术是当代电子领域中最为重要的基础技术之一。
其中，PN 结和二极管作为半导体器件中的重要组成部分，发挥着至关重要的作用。
本文将介绍半导体基础PN结的原理及其在二极管中的应用。
一、半导体基础PN结原理PN结是由n型和p型半导体材料的结合而形成的。
其中，n型半导体与p型半导体的性质有着明显的区别。
1. n型半导体：在n型半导体中，材料中的杂质原子掺入了导电能力较强的杂原子，如磷（P）或砷（As）。
这些杂原子具有多余的电子，因此在外加电场的作用下，这些电子能够自由地移动，形成电流。
2. p型半导体：与n型半导体相反，p型半导体中的杂原子通常是掺入了硼（B）或铝（Al）等元素。
这些杂原子缺少电子，因此在外加电场的作用下，它们会吸引材料中的电子，形成称为“空穴”的空缺。
当n型半导体和p型半导体相互接触时，形成PN结。
由于电子流动的方向与空穴流动的方向相反，PN结会产生一个电场，这个电场阻碍电子和空穴的再次扩散。
由于这个电场，PN结具有单向导电性，即在正向偏置时能够导电，而在反向偏置时则不能导电。
二、二极管基于PN结的特性，可以制造出一种叫做二极管的器件。
二极管是半导体电子学中最简单也是最常用的器件之一。
它由一个PN结构成，具有两个引线（即正极和负极）。
1. 正向偏置二极管：在正向偏置情况下，即将正极连接到p区，负极连接到n区时，PN结处的电场会减小，从而使电子和空穴越过PN 结。
电流可以自由地流动，因此二极管可以导电。
2. 反向偏置二极管：在反向偏置情况下，即将正极连接到n区，负极连接到p区时，PN结处的电场会增大，从而阻碍电子和空穴的扩散。
此时，几乎没有电流通过二极管，因此二极管处于截止状态。
三、二极管的应用二极管由于其独特的特性，在电子领域中有广泛的应用。
1. 整流器：二极管可以用作整流器，即将交流信号转换为直流信号。
通过适当连接多个二极管，可以制造出多级整流电路，用于变压器和电源的设计。
半导体物理与器件教学大纲
半导体物理与器件（教学大纲）Semiconductor Physics and Devices课程编码：12330540学分：课程类别：专业基础课计划学时： 48 其中讲课： 48 实验或实践： 0 上机：0适用专业：IC设计、电信推荐教材：尼曼（Donald H.Neamen）著，赵毅强，姚素英。
解晓东译，《半导体物理与器件》（第3版），电子工业出版社，2010参考书目：D. A. Neamen，《Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles》，清华出版社，2003R. T. Pierret著，黄如等译，《半导体器件基础》，电子工业出版社，2004刘恩科、朱秉升、罗晋生等，《半导体物理学》，西安交通大学出版社，2004黄昆、谢希德，《半导体物理学》，科学出版社，1958曾谨言，《量子力学》，科学出版社，1981谢希德、方俊鑫，《固体物理学》,上海科学技术出版社，1961课程的教学目的与任务本课程是集成电路专业的重要选修课之一。
本课程较全面地论述了半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律，并在此基础上选择目前集成电路与系统的核心组成部分，如双极型晶体管（BJT）、金属－半导体场效应晶体管（MESFET）和ＭOS场效应晶体管（MOSFET）等，作为分析讨论的主要对象来介绍半导体器件基础。
学习和掌握这些半导体物理和半导体器件的基本理论和分析方法，为学习诸如《集成电路工艺》、《集成电路设计》等后续课程打下基础，也为将来从事微电子学的研究以及现代VLSI与系统设计和制造工作打下坚实的理论基础。
课程的基本要求本课程要求学生掌握半导体物理和半导体器件的基本概念和基本规律，对于基础理论，要求应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。
学习过程中，注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实践的结合。
本课程涉及的物理概念和基本原理较多，为了加深对它们的理解，在各章节里都给学生留有一些习题或思考题，这些题目有的还是基本内容的补充。
pn结二极管ppt课件
1
第八章pn结二极管
8.1 pn 结二极管的I-V特性 8.2 pn 结的小信号模型 8.3 产生-复合流（与理想I-V特性的偏离） 8.4 pn 结的击穿 8.5 pn结的瞬态特性 8.6 隧道二极管
2
8.1 pn 结电流
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。 1.定性推导： 分析过程，处理方法 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。 3.分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因
pn结内的总电流处处相等（稳态）
11
8.1.2 理想的电流-电压关系
(4) 忽略耗尽区内的产生与复合，即认为 电子、 空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与 复合，故通过 势垒区的电子电流和空穴电流
为恒定值。
12
Figure 8.3
13
8.1.2 理想的电流-电压关系
方法步骤： （1）边界条件 （2）扩散方程 （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
Js
q Dp Lp
ni2（p n二极管） Nd
Js
q Dn Ln
ni2（pn二极管） Na
25
Figure 8.8
26
27
28
反向偏置下p-n结费米能级
29
短二极管
n区或p区的宽度远小于 少子的扩散长度的二极 管叫短二极管 P区的扩散方程，边界 条件和求解结果与前面 的完全一致。
30
5
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，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。
半导体与电子器件PN结与二极管的工作原理
半导体与电子器件PN结与二极管的工作原理半导体技术在现代电子领域扮演着重要的角色，而其中的PN结与二极管更是半导体器件中的关键组成部分。
本文将围绕半导体与电子器件PN结与二极管的工作原理展开讨论，旨在帮助读者更好地理解这些关键概念。
一、半导体基础在深入探讨PN结与二极管的工作原理之前，我们先来了解一些半导体基础知识。
半导体属于一类介于导体与绝缘体之间的材料，其导电性能可以通过控制材料的掺杂程度得到调节。
常见的半导体材料有硅（Si）和砷化镓（GaAs）等。
半导体材料的晶体结构具有共价键和离子键的特点。
晶体中的原子通过共享电子形成共价键，这种结构使半导体具有一定的导电性。
同时，通过掺杂材料的方法，可以在半导体中引入杂质，使其导电性进一步增强或减弱。
二、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体通过特定方式连接形成的结构。
P型半导体中的杂质被称为“受主”，它的杂质原子会提供电子接受的空位。
而N型半导体中的杂质则被称为“施主”，它的杂质原子会提供额外的自由电子。
当P型半导体和N型半导体相互接触时，由于电荷的重新分布，形成了电场。
这个电场会阻碍杂质离子的扩散，形成一个局部电荷密度差异的区域，即PN结。
在PN结两侧形成的电场区域称为耗尽层。
三、PN结的工作原理PN结的工作原理可以通过正向偏置和反向偏置两种情况来描述。
1. 正向偏置在正向偏置的情况下，将P区的正电荷端与N区的负电荷端相连接，形成正向电压。
这种情况下，电子从N区向P区内部流动，空穴从P区向N区内部流动，形成电流。
正向偏置时，PN结的耗尽层会变窄，电流能够通过。
2. 反向偏置在反向偏置的情况下，将P区的负电荷端与N区的正电荷端相连接，形成反向电压。
这种情况下，PN结的耗尽层会变宽，形成一个高阻抗区域。
这个高阻抗区域会阻碍电荷的流动，电流基本上被禁止通过。
四、二极管的工作原理二极管是由PN结组成的一种最基本的半导体器件。
它具有两个引脚，分别为“正极”（阳极）和“负极”（阴极）。
半导体物理中的PN结的工作原理和应用
半导体物理中的PN结的工作原理和应用半导体器件是现代电子技术中不可或缺的重要组成部分。
而PN结作为最基本的半导体器件之一，广泛应用于电子器件和光电子器件领域。
本文将详细介绍PN结的工作原理和应用。
一、PN结的工作原理PN结是由P型半导体和N型半导体通过正向或反向偏置连接而成的结构。
它的工作原理基于半导体材料的本征载流子浓度和材料特性之间的差异，通过PN结的空间电荷区域的特性来实现电流的控制。
在静止状态下，PN结呈现出电荷平衡状态，这时两侧的P型和N型区域通过扩散过程形成了空间电荷区域。
在P型侧，由于掺杂原子的离子化，形成了大量的自由空穴；而在N型侧，则形成了大量的自由电子。
这样，由于自由电子和空穴之间的扩散过程，PN结两侧的电荷呈现出逐渐减少的趋势。
但是，这一过程会使得电荷区域逐渐加宽，形成一个耗尽层。
当PN结被正向偏置时，即将P型半导体连接到正电压极，N型半导体连接到负电压极，这时耗尽层的宽度会减小，逐渐失去耗尽层的截断电场，而逐渐形成一个导电通道。
在这种正向偏置下，自由电子从N型区域流入到P型区域，而空穴则从P型区域流入到N型区域，形成电流的流动。
当PN结被反向偏置时，即将P型半导体连接到负电压极，N型半导体连接到正电压极，这时耗尽层的宽度会增加，并且产生一个强大的截断电场。
在这种反向偏置下，由于截断电场的存在，阻挡了自由载流子的移动，使得电流几乎不流动。
只有在达到PN结的击穿电压时，才能发生电流的流动。
二、PN结的应用PN结作为半导体器件中最基本的结构之一，具有广泛的应用。
下面将介绍一些常见的PN结应用场景。
1. 整流器PN结具有良好的整流特性，广泛应用于整流电路中。
在正向偏置时，PN结可将交流电信号转化为直流电信号，实现整流的功能。
这在电源适配器、电池充电器等电子设备中得到了广泛的应用。
2. 光电子器件PN结在光电子器件中也扮演着重要的角色。
例如，光电二极管是一种利用PN结的光电效应将光信号转化为电信号的器件。
半导体物理中的PN结和二极管的特性
半导体物理中的PN结和二极管的特性半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分。
其中，PN 结和二极管是最为基础和重要的两个概念，对于理解半导体的物理特性和应用具有重要意义。
本文旨在深入探讨PN结和二极管的特性，并分析其在电子器件中的应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散形成的结构。
P型半导体的主要成分是掺杂了三价元素（如硼）的硅（Si）材料，而N型半导体则是掺杂了五价元素（如磷）的硅材料。
当这两种半导体材料接触在一起时，两侧材料发生扩散作用，其中P型半导体的空穴扩散到N型半导体中，而N型半导体的电子扩散到P型半导体中，形成了PN结。
二、PN结的特性1. 能带结构PN结的形成导致了能带结构的改变。
在PN结的形成过程中，P型材料中的导带与N型材料中的导带发生连接，形成了一个共用的导带。
在PN结的结区（即P型和N型材料接触处），形成了势垒，阻止电子和空穴自由通过。
2. 势垒PN结中的势垒是由于P型材料与N型材料之间的电荷分布不平衡引起的。
在PN结形成后，P型材料中的电子向N型材料中的空穴扩散，形成了势垒。
势垒的存在导致了PN结两侧的电荷分布差异，形成了电场。
3. 正向偏置和反向偏置当外加电压（正向偏置）施加在PN结上时，势垒会减小，电子可以克服势垒而通过PN结，形成导电通路。
这时，PN结呈现出低电阻状态，使电流通过。
当外加电压的方向相反（反向偏置）时，势垒会增大，阻碍电流通过。
这时，PN结呈现出高电阻状态，几乎没有电流通过。
三、二极管的特性和应用二极管是由PN结构成的半导体器件，具有正向导通和反向截止的特性。
1. 正向特性当二极管处于正向偏置时，电流可以从P端注入到N端，形成导电通路。
此时，二极管呈现出低电阻状态，称为正向导通。
正向导通时的电压和电流关系遵循二极管正向特性方程。
2. 反向特性当二极管处于反向偏置时，电流几乎无法通过PN结。
由于势垒的存在，只有当外加电压超过正向导通时的阈值电压，才会发生击穿现象，电流急剧增大。
《pn结二极管》课件
欢迎大家来到《pn结二极管》PPT课件！本课件将介绍pn结二极管的基础知识、 工作原理、应用领域、制作及特殊结构、未来趋势等内容。让我们一起深入 研究和探索pn结二极管的魅力吧！
一、pn结二极管基础知识
结构与特性
了解pn结的结构与特性对于 理解其工作原理至关重要。
电容的计算
提出设计更高效、更可靠的pn结二极管的挑战和机遇。
六、总结
电子技术的重要性
探讨pn结二极管在电子技术中的 重要性和推动力。
未来发展和前景
展望pn结二极管在未来的发展趋 势和应用前景。
深入研究和探索
鼓励大家深入研究和探索pn结二 极管的应用领域。
液晶显示屏
讲解液晶显示屏中pn结二极管的作用和优势， 推动显示技术的创新。
五、pn结二极管的未来趋势
1
纳米级尺寸的pn结二极管
展望纳米级尺寸的pn结二极管对于电子技术的革命性影响。
2
半导体材料的新发现和新应用
探索半导体材料的新领域，为pn结二极管的应用拓展出更多可能性。
3
设计更高效、更可靠的pn结二极管
学习如何计算pn结的电容， 对于电路设计和分析有很大 帮助。
正反向开启电压
探讨pn结正反向开启电压及 其在电子设备中的应用。
二、pn结二极管的工作原理ຫໍສະໝຸດ 1正向偏置和反向偏置
了解正向偏置和反向偏置在pn结二极管中的作用和影响。
2
IV特性谈
深入研究pn结二极管的IV特性曲线及其解读。
3
温度对pn结二极管的影响
探索pn结二极管在音 频和射频放大器中的 关键作用，提升信号 的功率。
四、pn结二极管的制作及特殊结构
硅材料的制备
半导体物理学第八章
理想MOS结构的能带图
热平衡情形能带结构： 1）三种材料接触构成MOS结构，在热平衡情况下Ef = 常数，正如schottky接触或P-N结二极管。 2）通过SiO2的电流为0，因此，MOS结构由靠自身结 构首先由非平衡达到平衡的过程将非常漫长，或者需 要通过辅助的导电路径，实现热平衡。 理想MOS的平衡能带图 对于MOS结构，重要的 是了解不同偏置电压下的 能带结构和电荷分布情形
(4)
实际MOS结构及其C-V特性
★ MOS结构的微分电容 ♦ 栅压-- VG= VOX+ VS , ♦ 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷 面密度-- QS = QSC = - QG ♦ MOS结构的微分电容— C dQG/dVG
1 dVG dVOX dVS C dQG dQG dQG
VS 0
2 rs 0 LD
♦ 德拜长度
2 rs 0 kT LD e2 N A
对半导体表面空间电荷区电容的小结: ♦ 表面积累, CSC很大
♦ 表面耗尽
CSC
rs 0
d
♦ 表面反型, CSC很大
♦ 表面平带
CSC CFBS
2 rs 0 LD
理想MOS结构
金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si) （MOS）结构是 主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型 的结构如Al/SiO2/p-Si， 其基本的能带结构参数如下图所示。
d
2 rs 0 VS eN A
QSC eN Ad
Csc
rs 0
d
图8-7
③表面反型(强反型): ♦当VS =2VB 耗尽层宽度达到最大
4 rs 0 d dM VB eN A
PN结与二极管原理ppt课件
4、正向电流转换和传输
Forward-active regime
比较：平衡PN结
扩散
正向注入 复合
Байду номын сангаас
e 漂移
扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。
PN结内任意截面的电流是精连品课续件的。
17
5、PN结的正向电流-电压关系
PN结内各处的电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都 一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 X N 处的电子电流和 空穴电流，就是总的PN结电流：
的正向电流。
精品课件
14
2、外加多子正向注入效应
非平衡不同区的少子浓度分布
比较：平衡PN结
电阻很小
两边的多子易 通过势垒区
e
空穴
p
电子
e
电子
空穴
扩散长度
注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方
式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散，
同时进行复合，最终形成一个稳态分布。
精品课件
Ei
EFp
KTlnNA ni
精品课件
10
即有
UD
kT q
ln
NDNA ni2
式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度；
UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的 电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。
精品课件
29
2.2.4 影响PN结伏安特性的因素(简述)——V-A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有：
半导体物理pn结
半导体物理pn结半导体物理PN结是半导体电子学中的重要概念，它由P型半导体和N型半导体组成。
PN结的研究对于理解半导体材料的特性和开发电子器件具有重要意义。
本文将介绍PN结的形成、特性以及应用。
一、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体相接形成的结构。
在P型半导体中，电子浓度较低，空穴浓度较高。
而在N型半导体中，电子浓度较高，空穴浓度较低。
当将这两种半导体材料相接时，由于电子和空穴之间的扩散运动，形成了一个空乏区域，称为耗尽层。
二、PN结的特性1. 效应PN结具有整流效应，即在正向偏置的情况下，电流可以通过PN结；而在反向偏置时，电流非常小，几乎可以忽略不计。
这种整流效应使得PN结广泛应用于电子器件中，例如二极管。
2. 正向偏置当PN结的P区施加正电压，N区施加负电压时，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。
此时，PN结的空乏层变窄，载流子扩散通过结，形成正向电流。
3. 反向偏置当PN结的P区施加负电压，N区施加正电压时，电子从P区向N区扩散，空穴从N区向P区扩散。
此时，PN结的空乏层变宽，载流子难以通过结，形成反向电流。
三、PN结的应用1. 二极管PN结作为二极管的基本元件，广泛应用于电子器件中。
在正向偏置时，二极管具有低电阻态；在反向偏置时，二极管具有高电阻态。
基于这种特性，二极管用于整流电路、调制电路和开关电路等方面。
2. 光电二极管光电二极管是一种特殊的二极管，它能够将光能转化为电能。
当光照射在光电二极管上时，光子激发了PN结中的载流子，从而产生电流。
光电二极管广泛应用于光通信、太阳能电池等领域。
3. 功能改变PN结通过控制正向偏置和反向偏置的电压，可以改变PN结的导电特性。
例如，在特定电压下，PN结可以实现放大、开关、振荡等功能。
这种特性被广泛应用于放大器、开关电路和振荡电路等器件中。
结论PN结作为半导体物理中的重要概念，具有整流效应和调控电流的特性。
通过控制正向偏置和反向偏置的电压，PN结能够实现不同的功能。
尼曼 半导体物理及器件第八章
pnxnpn0expekV Ta
np
n p0
Ln
pn
Lp
p n0 n p0
Ln
np
Lp p n0
pn
x p x0 x n
x p x0 x n
（5）理想pn结电流
• 第四个假设
– 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：
Jn xp eDndndpxx
xxp
利用少子分布公式，上式简化为：
Jn xp eD L nn np0 exp e kV T a 1
pn结正偏，上述电子电流密度也是沿着x轴正方向。
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：
J J p x n J n x p e D L p p p n 0 e D L n n n p 0 e x p e k V T a 1
pn
pn0
expekVTa
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
（4）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
0
0
0
D n 2x 2n n E x n g n n 0 tn
双极输运方程可以简化为：
高等半导体物理 与器件
第八章 pn结二极管
本章内容
• pn结电流 • 产生-复合电流和大注入 • pn结的小信号模型
8.1 pn结电流
（1）pn结内电荷流动的定性描述
• pn 结加正偏Va，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上
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半导体物理与器件
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
半导体物理与器件
少数载流子分布
假设：中性区内电场为0 无产生 稳态pn结 0 长pn结
例8.4
0
0
Dn
2 n x2
n n n E g x n0 t
Js eDp pn 0 Lp eDn n p 0 Ln
反偏饱和电流（密度）
则理想pn结的电流-电压特性可简化为：
eV J J s exp a kT 1
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
势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va) ；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。
半导体物理与器件
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。
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
eVa pn ( xn ) pn 0 exp kT
半导体物理与器件
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，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。
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型区一 侧边界处空穴的扩散电流密度为：
eDp pn0 eVa J p xn exp 1 Lp kT
半导体物理与器件
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：
半导体物理与器件
另一部分未被复合的空穴继沿x方 向漂移，到达-xp的空穴电流，通过 势垒区； 若忽略势垒区中的载流子产生-复 合，则可看成它全部到达了xn处， 然后以扩散运动继续向前，在n区中 的空穴扩散区内形成空穴扩散流；
在扩散过程中，空穴还与n区漂移过来的电子不断地复合，使空 穴扩散电流不断地转化为电子漂移电流； 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区欧姆接触的正 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。
np 0 ni2 / Na
pn0 ni2 / Nd np
np xp pn xn
pn
np np np 0 pn pn pn0
n区内过剩少数载流子空穴的浓度
半导体物理与器件
边界条件
Nd nn 0
n np0 Na
2 i
Na Nd Vbi VT ln 2 ni eVbi n p 0 nn 0 exp 2 ni eVbi kT exp Na Nd kT
'
n
半导体物理与器件
双极输运方程可以简化为：
2 n p n p 2 0 2 x Ln
x x
p
2 pn pn 2 0 2 x Lp
L2p Dp p0
x xn
L2 n Dn n 0
eVa pn xn pn 0 exp kT
半导体物理与器件
pn结的零偏、反偏和正偏
半导体物理与器件
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
半导体物理与器件
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。
x xn x xn
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
J n x p eDn d n p x dx
x x p
利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：
eDn p p 0 eVa Jn xp exp 1 Ln kT
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。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：
半导体物理与器件
在流过pn结的正向电流中，电子电流与空穴电流的 pn结扩散区内的正 相互转换情况如下页图所示。
偏电流实际上是复 合电流
半导体物理与器件
正偏电流图像 当电流由p区欧姆接触进入 时，几乎全部为空穴的漂 移电流；空穴在外电场作 用下向电源负极漂移； 由于少子浓度远小于多子 浓度可以认为这个电流完 全由多子空穴携带。 空穴沿x方向进入电子扩散 区以后，一部分与n区注入 进来的电子不断地复合， 其携带的电流转化为电子 扩散电流；
半导体物理与器件
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。
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
半导体物理与器件
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：
dpn x J p xn eD p dx x x
n
在pn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：
J p xn eDp d pn x dx
EFn EFp
半导体物理与器件
加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场 减弱
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
e Vbi Va n p ( x p ) nn 0 exp kT
半导体物理与器件
x xn
xp x eVa n p x n p x n p 0 n p 0 exp 1 exp kT L n
x x
p
半导体物理与器件
由此，我们可以得出pn结处于正偏和反偏条件时，耗尽区 边界处的少数载流子分布
边 界 条 件
eV n p x p n p 0 exp a kT
np x np0 pn x pn0
长pn结
Wn Ln W p L p
半导体物理与器件
双极输运方程的通解为：
pn x pn x pn 0 Ae
半导体物理与器件
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。
半导体物理与器件
理想pn结模型的假设条件
小注入条件 注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多 突变耗尽层条件 注入的少子在p区和n区是纯扩散运动 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量 不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用 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
半导体物理与器件
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
名 称 意 义
Na Nd
nn 0 Nd p p 0 Na
pn结内p区受主浓度 pn结内n区施主浓度
热平衡状态下n区内的多子电子浓度 热平衡状态下p区内的多子空穴浓度 热平衡状态下p区内的少子电子浓度 热平衡状态下n区内的少子空穴浓度 p区内总少子电子浓度 n区内总少子空穴浓度 空间电荷区边缘处p区内的少子电子浓度 空间电荷区边缘处n区内的少子空穴浓度 p区内过剩少数载流子电子浓度
正偏 反偏
eV n p x p n p 0 exp a kT
eV pn xn pn 0 exp a kT
Байду номын сангаас
pn
np
np0
Ln
Lp
pn 0
np0
Ln
Lp
pn
pn 0
np
xp x 0
xn
xp x 0
xn
半导体物理与器件
例8.3
半导体物理与器件
物理意义总结： pn结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：
eD p pn 0 eVa J p x exp Lp kT eDn n p 0 eVa Jn x exp Ln kT xn x 1 exp L p xp x 1 exp L p
半导体物理与器件
eD p pn 0 eDn n p 0 J J p xn J n x p L Ln p