PN结工作原理-动态图画
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PN结原理(能带、势垒)
PN结原理: P-N 结的形成和能带电子科技大学微电子与固体电子学院谢孟贤教授博导p-n结基本概念是解决许多微电子和光电子器件的物理基础。
对于许多半导体器件问题的理解不够深透，归根到底还在于对于p-n结概念的认识尚有模糊之处的缘故。
因为p-n结的一个重要特点就是其中存在有电场很强的空间电荷区，故p-n结的形成机理，关键也就在于空间电荷区的形成问题；p-n结的能带也就反映了空间电荷区中电场的作用。
载流子的转移：p型半导体和n型半导体在此需要考虑的两个不同点即为（见图(a)）：①功函数W不同；②主要（多数）载流子种类不同。
因此，当p型半导体和n型半导体紧密结合而成的一个体系——p-n结时，为了达到热平衡状态（即无能量转移的动态平衡状态），就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。
对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge 异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。
空间电荷和内建电场的产生：现在考虑同质p-n结的形成：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处（即冶金学界面附近处），当有空穴从p型半导体扩散到n 型半导体一边去了之后，就在n型半导体中增加了正电荷，同时在p 型半导体中减少了正电荷，从而也就在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心；与此同时，当有电子从n型半导体扩散到p型半导体一边去了之后，就在p型半导体中增加了负电荷，同时在n型半导体中减少了负电荷，从而也就在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。
这就意味着，在p型半导体一边多出了负电荷（由电离受主中心和电子所提供），在n型半导体一边多出了正电荷（由电离施主中心和空穴所提供），这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷，它们都局限于接触边缘附近处，以电偶极层的形式存在，如图(b)所示。
02第二节 PN结解读
V
P
内建电场E
N
V
P
内建电场E
N
在忽略引线电阻，P区、N区体电阻时，即外加电压将全 部加在 PN结上，由于外加电压与内建电位差的极性相反，因 而阻挡层两端的电位差，由VB减小到(VB-V)。 结果： 阻挡层宽度减小，即 l < lo 两侧的离子电量减少，扩 散运动增强，打破了扩散和漂移的动态平衡，此时 ID > IT 这 样P区中多子空穴将源源不断的通过阻挡层扩散到N区， 成为N 区中的非平衡少子，建立如图所示的少子浓度分布图。
X
3、阻挡层宽度：
设、PN结的截面积为 S ，则阻挡层在 P区一边的负电荷量为： N区一边的正电荷量为：
Q qSxp N a
Q qSxn N d
它们的绝对值相等，因而有：
xn Na xp Nd
此式表明，阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比。 或者说，阻挡层主要向低掺杂一侧扩展。
例如 P N 结，即P区的Na大于N区的Nd 故
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
例如、硅ＰＮ结的IS 约为10-9…10-16A 即 锗ＰＮ结的IS 约为 即
1107 nA
106 108 A
二、动态平衡下的PN结：
1、PN结形成过程（阻挡层形成的物理过程）：
接触面 P型 N型
空间电荷区 P区
N区
内建电场E 设 ID 为P区流向 N区的扩散电流 IT 为N区流向P区的漂移电流
由于浓度差的影响，载流子将产生扩散运动。随着多子 扩散运动的进行，紧靠在接触面两侧留下被电的离子电荷量 增多，空间电荷 区 增宽，其间的内建电场E相应增大。 结果：是多子扩散减弱，同时少子漂移增强，直到扩散 和漂移运动达到动态平衡。
式中
P
内建电场E
N
V
P
内建电场E
N
在忽略引线电阻，P区、N区体电阻时，即外加电压将全 部加在 PN结上，由于外加电压与内建电位差的极性相反，因 而阻挡层两端的电位差，由VB减小到(VB-V)。 结果： 阻挡层宽度减小，即 l < lo 两侧的离子电量减少，扩 散运动增强，打破了扩散和漂移的动态平衡，此时 ID > IT 这 样P区中多子空穴将源源不断的通过阻挡层扩散到N区， 成为N 区中的非平衡少子，建立如图所示的少子浓度分布图。
X
3、阻挡层宽度：
设、PN结的截面积为 S ，则阻挡层在 P区一边的负电荷量为： N区一边的正电荷量为：
Q qSxp N a
Q qSxn N d
它们的绝对值相等，因而有：
xn Na xp Nd
此式表明，阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比。 或者说，阻挡层主要向低掺杂一侧扩展。
例如 P N 结，即P区的Na大于N区的Nd 故
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
例如、硅ＰＮ结的IS 约为10-9…10-16A 即 锗ＰＮ结的IS 约为 即
1107 nA
106 108 A
二、动态平衡下的PN结：
1、PN结形成过程（阻挡层形成的物理过程）：
接触面 P型 N型
空间电荷区 P区
N区
内建电场E 设 ID 为P区流向 N区的扩散电流 IT 为N区流向P区的漂移电流
由于浓度差的影响，载流子将产生扩散运动。随着多子 扩散运动的进行，紧靠在接触面两侧留下被电的离子电荷量 增多，空间电荷 区 增宽，其间的内建电场E相应增大。 结果：是多子扩散减弱，同时少子漂移增强，直到扩散 和漂移运动达到动态平衡。
式中
PN结形成原理
在无外电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电 流通过，空间电荷区的宽度一定。
由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩 散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间 电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强， 耗尽层越宽。
2. PN结的单向导电性
PN结的“正偏导通，反偏阻断”称为其单向导 电性质，这正是PN结构成半导体器件的基础。
1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构及符号
半导体二极管同PN结一样具有单向导 电性。二极管按半导体材料的不同可以分 为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。 按结构的不同可分为点接触型、面接触型 和平面型二极管三类，如图1.10所示。
图1.13 二极管的伏安特性曲线
（2）反向特性
二极管外加反向电压时，电流和电压 的关系称为二极管的反向特性。由图1.13 可见，二极管外加反向电压时，反向电流 很小（I≈IS），而且在相当宽的反向电压 范围内，反向电流几乎不变，因此，称此 电流值为二极管的反向饱和电流。
（3）反向击穿特性
从图1.13可见，当反向电压的值增大 到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电 流会急剧增大，称此现象为反向击穿， UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向 击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般 的二极管不允许工作在反向击穿区。
图1.2 本征激发产生电子空穴对
如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出 现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2） 可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在 这个束缚电子的位置又出现一个新的空位， 另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补 这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空 穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此 束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。
第6章pn结ppt课件-PPT精选文档
的 ， 电 区 带
E(x) dx = Em W / 2
-xP -xP 0 xn x
第6章 pn结
• •
热平衡态下的p-n结
p-n结空间电荷层、势垒层、内建电场
非平衡态下的p-n结
p-n结的直流伏安特性(整流)
•
pn结电容
势垒电容 扩散电容
p型、n型半导体
•
•
掺杂
掺入(doping)V族元素，P或 As(施主，Donor)形成 n型 (negative)半导体
Si
Si
Si
•
Si
两边的载流子分别往对方扩散 → 电离杂质中心形成空间电荷 → 产生电场 内建电场： n区指向p区，从正 电荷指向负电荷的电场，引起 载流子的漂移运动
p
n
漂移
扩散 导带电子的运动
电场阻挡载流子的扩散 空间电荷层又称为势垒层
空间电荷区
单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两种半导体结合形成PN结时， 将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
称为 约化浓度。
4、pn结接触电势差
最大电场Em在结界面处 p-n结的内建电势VD也就是p型半 导体和n型半导体之间的接触电 势差。
VD = -
p
－ －
＋ ＋
n
电 场 E
∫
xn
由 于 从 n 区 指 向 p 区 内 建 电 场 的 不 断 增 强 空 间 电 荷 区 内 电 子 Em 势 能 - q V ( x ) 由 n 区 向 p 不 断 升 高 ， 导 致 能 上下移动
s
s
由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 及 总的耗尽区宽度，
第五章-PN-结
（1）势垒电容 （2）扩散电容
（a）平衡p-n结势垒区； （b）正偏时，势垒区变窄； （c）正偏时，p-n结载流子变化
PN结电容的计算
突变结势垒电容公式
①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径； ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； （3）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及复合作用； （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏
—— 非平衡载流子 —— PN结的正向注入
电子扩散电流密度
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 倍
和
比较得到
正向注入，P区边界电子的浓度变为
边界处非平衡载流子浓度
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散 —— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
(3)．热电击穿
当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。
（a）平衡p-n结势垒区； （b）正偏时，势垒区变窄； （c）正偏时，p-n结载流子变化
PN结电容的计算
突变结势垒电容公式
①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径； ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； （3）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及复合作用； （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏
—— 非平衡载流子 —— PN结的正向注入
电子扩散电流密度
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 倍
和
比较得到
正向注入，P区边界电子的浓度变为
边界处非平衡载流子浓度
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散 —— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
(3)．热电击穿
当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。
半导体物理学第6章(pn结)
Ei Ev
Ec Ei
Silicon (n-type)
Ef
Ev
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建电 势决定于掺杂 浓度ND、NA、 材料禁带宽度 以及工作温度
③接触电势差: ♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD ♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
kT nn 0 kT N D N A VD ln ln 2 e np0 e ni
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
准中性区载流子浓度
理想二极管方程
求解过程
准中性区少子扩
散方程 求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(-xp)
理想二极管方程(1)
新的坐标:
d pn pn 0 Dp 2 dx' p
2
-xp
xn
x
X’
边界条件:
0
pn ( x' ) 0 ni2 qVA / kT pn ( x' 0) e 1 ND
图629正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升达到一个极大峰值电流i随后电压增加电流反而减少达到一个极小谷值电流i当电压大于谷值电压后电流又随电压而上升图6270点平衡pn结1点正向电流迅速上升2点电流达到峰值3点隧道电流减少出现负阻4点隧道电流等5点反向电流随反向电压的增加而迅速增适当波长的光照射到非均匀半导体上由于内建场的作用半导体内部可以产生电动势光生电压光生伏特效应是内建场引起的光电效应
PN结 2013-11-8
2.1.3平衡PN结的载流子浓度分布
2.1.0 PN结初识 本征半导体 晶体结构 载流子浓度
Si Si
n 0 =p0 =n i =C T e
1/2
3/2 Eg / T
n0 p0 n
2 i
Si
Si
跟费米能 级的关系 能带图
E E ( F i) n0 ni e T E F =E i Ei E F p n e( T ) 0 i
多子：电子 少子：空穴
P 型半导体
－ － － － － － － － － － － －
－ － － － － －
多子：空穴
－ － － － － －
少子：电子
PN 结
离子束刻蚀和离子注入
N区
PN结二极管制造过程
PN结结构
P区
Si 衬底
PN结二极管制造过程
PN结结构
P型硅 (P掺杂)
N区 P区
采用离子注入的方法实现
p 2 p p E p p0 Dp 2 p E p p Gp t x x x p
2. 单边稳态注入： p x p 0 e
x Lp
L ， p D p p
3. 平衡状态下载流子浓度和费米能级的关系
E Ei n0 ni exp( F ） k0T E EF p0 ni exp( i ) k0T np=n i2
2.1.1 平衡PN结能带图
◎ 空间电荷区的形成
N型区与P型区的能带如何变化 ？ N型区与P型区交界面处载流子如何运动 ？
• 空间电荷
• 空间电荷区 • 内建电场
◎PN 结的形成—费米能级
P型 N型
2.1.1 平衡PN结能带图
2.1.0 PN结初识 本征半导体 晶体结构 载流子浓度
Si Si
n 0 =p0 =n i =C T e
1/2
3/2 Eg / T
n0 p0 n
2 i
Si
Si
跟费米能 级的关系 能带图
E E ( F i) n0 ni e T E F =E i Ei E F p n e( T ) 0 i
多子：电子 少子：空穴
P 型半导体
－ － － － － － － － － － － －
－ － － － － －
多子：空穴
－ － － － － －
少子：电子
PN 结
离子束刻蚀和离子注入
N区
PN结二极管制造过程
PN结结构
P区
Si 衬底
PN结二极管制造过程
PN结结构
P型硅 (P掺杂)
N区 P区
采用离子注入的方法实现
p 2 p p E p p0 Dp 2 p E p p Gp t x x x p
2. 单边稳态注入： p x p 0 e
x Lp
L ， p D p p
3. 平衡状态下载流子浓度和费米能级的关系
E Ei n0 ni exp( F ） k0T E EF p0 ni exp( i ) k0T np=n i2
2.1.1 平衡PN结能带图
◎ 空间电荷区的形成
N型区与P型区的能带如何变化 ？ N型区与P型区交界面处载流子如何运动 ？
• 空间电荷
• 空间电荷区 • 内建电场
◎PN 结的形成—费米能级
P型 N型
2.1.1 平衡PN结能带图
PN结
｝→→→
｛P 区空穴→→N 区 ｝
➢
➢
｛ P 区：电子 → 与空穴复合 →→ 空间电荷区↑宽｝
➢ 复合→→｛
｝→ →→
｛ N 区：空穴 → 与电子复合 →→ 内部电场Uho↑ ｝
➢
｛ P 区电子→ N区→→空间电荷区↓窄 ｝
➢ 漂移 →→→｛
｝→ →→
➢ 少子的漂移运动 ｛ N 区空穴→ P区→→内部电场Uho↓ ｝
➢
➢ 其中IS为反向饱和电流，UT= kT/q 温度电压当 量，一般取值为26mv；而k为玻耳曼常数，T为热 力学温度，q为电子电荷量。
18
☆ 当T = 300k（常温）时，UT = 26mV 由I = IS (eU/UT-1) 得出PN结的伏安特性曲线。如下图：
B C
A
19
➢ （a ）当 U > 0 即PN结正向偏置时，（曲 线如a段）且当U >几倍以上UT时:
阻小，导通； ➢ PN结加反向电压时，形成反向电流IS极小，电
阻大，不导通(截止)； ➢ 这一特性称为单向导电性。
17
三、PN结的特性 —— 伏安特性
➢ 理论证明：PN结的正向特性和反向特性可以由 以下关系式即PN结两端的外电压U与流过PN结的 电流I之间的关系：
➢
➢ I Is (eU /UT 1) A
➢ 实验结果表明：温度再升高10℃，IS约增加一 倍。 U(on)随T↑而略↓当温度进一步增大到极端， 本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半 导体类似，PN结就不存在了。
➢ 因此，PN结正常工作的最高温度：
➢
Si：150 ~ 200℃
➢
Ge：75 ~ 100℃
26
正向区：温度升高， 曲线左移
第六章__PN结(1)
Ecp EFp Evp
qVD
Ecn EFn Evn
9
电子将从费米能级高的n区流向费 米能级低的p区，空穴则从p区流向 n区，因而EFn不断下移，而EFp不 断上移，直到EFn= EFp时为止。这 时 p-n结中有统一的费米能级EF， p-n 结处于平衡状态。能带相对移 动的原因是 p-n结空间电荷区中存 在内建电场的结果。随着从n区指 向p区的内建电场的不断增加，空 间电荷区内电势 V(x)由n区向p区 不断降低，而电子的电势能 -qV(x) 则由n区向p区不断升高，所以p区 的能带相对于n区上移，而n区能带 相对p区下移，直到费米能级处处 相等时，能带才停止相对移动，pn 结达到平衡状态，因此，p-n 结 中费米能级处处相等恰好标志了每 一种载流子的扩散电流和漂移电流 10 相互抵消，没有净电流通过p-n 结。
k0T N D N A VD ln 2 q ni
N D , N A VD
Eg , ni VD
T 300K , N A 1017 cm3 , N D ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ015 cm3
Si : VD 0.7V, Ge : VD 0.3V
11
受温度影响很大。 温度每升高10℃，IS约增加一倍。
36
1、请描述小注入条件正向偏置和反向偏置下的pn结中载流子的
运动情况，写出其电流密度方程，请解释为什么pn结具有单向
导电性？
37
四、 PN结中影响电流电压关系的因素
38
1、势垒区的产生和复合电流
•复合电流(正向偏压)
xn
J r x eu( x )dx
扩散运动
扩散的结果是使空间 电荷区逐渐加宽。
5
注意:
pn结
J p p p
或
对于平衡pn结 Jn、Jp 均为零。因此
dE F dx
0
E F 常数
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小， 载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大 空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势 能变化的结果，空间电荷区也叫势垒区。
4. pn结接触电势差
小注入时 d Ex dx 很小可以略去，n型扩散区 E x 0
程
故
p n p n0 d 2 p n Dp 0 2 dx p
通解为 p n (x) p n (x) p n0 Ae
因x
x Lp
Be
x Lp qV k 0T
时 p n () p n0 , x x n时p n (x n ) p n0e
N ( x) N A N ( x) N D
单边突变结
（2）扩散法
扩散结中杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
NA ND
扩散结
线性缓变结近似
突变结近似
扩散结
x xj x xj
N A ND ND N A
扩散结中，若杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称 为线性缓变结
VD pn结接触电势差，q VD pn结的势垒高度
势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使E F处处相等
qVD E Fn E Fp
E Fn Ei k 0T E Fp Ei n p0 n i e k 0T
n n0 n i e
ln
n n0 n p0
1 k0T
(E Fn E Fp ) 2
qV
正向偏压下pn结的费米能级
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
半导体物理第六章讲解
Vapplied is sucking more:
holes (+) out of P-side electrons (-) out of N-side
Depletion region will be larger
②外加直流电压下， pn结的能带图
(2) 理想pn结模型及其电流电压方程
当正向偏置电压增加，扩散区内的非 平衡载流子积累很快增加
在反向偏置下，非扩散电容都随外加 电压而变化
微分电容:
C=dQ/dV
⑵突变结的势垒电容
①突变结的势垒区中电场、电势分布
②突变结的 势垒宽度XD
pn结的隧道效应
①势垒电容 CT —当pn结上外加电压变
化，势垒区的空间电荷相 应变化所对应的电容效应.
当pn结上外加的正向电压 增加，势垒高度降低空 间电荷减少；……
当pn结上外加的反向电压 增加，势垒高度增加空 间电荷增加；……
电容效应
②扩散电容 CD —当pn结上外加电压变化，扩散区
的非平衡载流子的积累相应变化所对 应的电容效应.
第六章 pn结
§1 pn结及其能带图 §2 pn结的电流电压特性 §3 pn结电容 §4 pn结击穿
§1 pn结及其能带图 (1) pn结的形成和杂质分布 (2) pn结的基本概念
pn结的基本概念
①空间电荷区:
在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致 载流子的扩散.
扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷--空间 电荷(电离施主,电离受主).
单向导电性
整流效应
qv
J Js ek0T 1
正向偏压 qv
J J se k0T
反向偏压
J Js
第6章pn结ppt课件
p-n结的制作过程
衬底制备 → 氧化 → 光刻出窗口 → 从窗口掺入杂质 (高温扩散或离子注入) → 形成p-n结。
SiO2
n型衬底
1. ( 表面制备 )
杂质
n型衬底
2. ( 氧化 )
n型衬底
3. ( 光刻 )
n型衬底
4. ( 扩散 )
p
n型衬底
5. ( p-n结 )
6. ( 做电极 和封装等 )
不断升高，导致能带
上下-x移P 动0
xn
x
qVD EF Ei
W
内建电势 的求解
对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi
Vbi
xn xp
E(x) dx
1 2
xn xp
Emax
s
2qN0
E2 max
1
或
Emax
2qN
s
0
Vbi
2
（2-10）
qV ( x)qVD
∴ n(x) nn0 e k0T
同理：
qVD qV ( x)
p(x) pn0 e k0T
qVD
np0 nn0e k0T
qVD
pn0 pp0e k0T
势垒区中，电子、空穴服从玻耳兹曼分布
多子浓度指数衰减，与相应的n区，p区体内相比，多 子好像被耗尽一样，因此一般常把势垒区叫耗尽区
ln
ni
EF Ei k0T
d (ln n) 1 ( dEF dEi )
dx
k0T dx dx
Jn
nqn
E
PN结工作原理-动态图画ppt课件
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
扩散电流 ＝ 漂移电流
PN加正向电压时的导电情况
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场
R
IF
E
图01.01.11 PN结加正向电压
PN结加反向电压时的导电情况
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场 R
E IS
图01.01.12 PN结加反向电压
势垒电容CB
P
N
CB
U
反向区
U
U 0
图 01.01.13 势垒电容示意图
扩散电容CD
少子浓度
pn
np
1
2
2 1
+
-
U U
图 01.01.14 扩散电容示意图
PN结的形成
P
N
扩散电流
空穴 电子
空穴 电子
多子
少子
图01.01.08 PN结的形成
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
多子
空穴
少子
电子
图01.01.08 PN结的形成
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴
多子
电子
空穴
少子
电子
图01.01.08 PN结的形成
以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程 过程概括如下：
pn结半导体物理第七
最大电场强度
由PN结界面处电场连续可得：
结论： 在PN结界面两侧，N型区中单位面积的正电荷与P型 区中点位面积的负电荷相等。 在PN结界面处电场达到最大，最大电场为：
内建电势：
将内建电场对空间电荷区进行积分，即可求得空间电 荷区中的电势分布。在P型区一侧有：
设置电势零点为：
由此可得：
P型区中一侧空间电荷区中的电势分布为：
内建势垒的高度：
影响势垒高度的因素： 掺杂浓度； 温度；
2、电场强度
耗尽区电场的产生是由于正负电荷的相互分离。 右图所示为突变结的体电荷密度分布。
结论： 1）E≤0 ； 2）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在x=0处；
结论： 1）E≤0 ； 2）电场强度为直线分布 3）电场强度最大值在x=0处；
理想突变结杂质浓度曲线
3. PN结空间电荷区的形成 两种材料接触形成PN结时，冶金结两侧将出现载 流子密度差，形成可动载流子的扩散流： ������ * 电子离开N型区向P型区扩散，在N型区留下带 正电荷的施主离子。 ������ * 空穴离开P型区向N型区扩散，在P型区留下带 负电荷的受主离子。
离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷， 该区域即为空间电荷区。 空间电荷区: 半导体带电的区域。 空间电荷区也称为 势垒区； 过渡区； 耗尽区； 空间电荷区将形成内建电场。 内建电场引起载流子的漂移运动，漂移运动 与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态。
空间电荷区及内建电场的形成过程示意图
达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流
平衡PN结的特点：
势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。 整个pn结具有统一的费米能级。 能带弯曲－－势垒高度。
达到平衡状态的PN结能带图具有统一的费米能级
医学影像学-- PN结 ppt课件
U U
U
1）. 正向特性 当U＞0，即处于正 向特性区域。正向区 又分为两段： 当0＜U＜Uth时， 正向电流为零，Uth称 为死区电压或开启电 压。 当U＞Uth时，开始 出现正向电流，并按 指数规律增长。
硅二极管的死区电压Uth＝0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uth＝0.1 V左右。
PPT课件 19
U UT
qU KT
U U B : 击穿特性
UB
PPT课件
15
4、PN结的击穿 当反向电压超过一定值时,PN结会出现击穿,此时 反向电流剧增，反向电流开始剧增的电压称为 反向击穿电压. 1)齐纳击穿: 内电场的强作用下,束缚电子被直接从 共价键中拉出来,形成电子空穴对,而产生大量的载 流子,加强了漂移运动,出现击穿.本质是场致激发.<5 2)雪崩击穿: 内电场的强作用下,在结内作漂移运动的少
数载流子,受到电场的加速作用可获得很大的能量.它与结 内原子碰撞时,使原子的价电子摆脱束缚状态而形成电子 空穴对.新生的电子、空穴对再去碰撞其它原子，产生更 多的电子、空穴对。使载流子数剧增。反向电流迅速增大， 出现击穿。本质是碰撞电离。>8v 注意：出现击穿，PN结并不一定坏了，只有超过允 16 PPT课件 许值时，才烧毁。
UBR
U
从击穿的机理上看，硅二极管若|UBR|≥7V时，主要是 雪崩击穿；若UBR≤4V则主要是齐纳击穿，当在4V～7V 之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。
7
PN结形成小结
1)PN 型半导体特点 2)两种载流子及两种运动形式 3)空间电荷区形成 4)内电场 5)PN 结形成
PPT课件
8
PN结单向导电性引言： PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反 之是高阻性，电流小。 如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向 电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向 电压，简称反偏。
高二物理竞赛p-n结空间电荷区及能带图课件
第6章 pn结
本章内容提要
p-n结及其能带图 p-n结伏安特性 p-n结电容 p-n结击穿 p-n结隧道效应
同一种半导体材料n、p型样品接触
p-n 结
理想p-n 结的 J-V 曲线
电流电压特性 电容效应 击穿特性
意义
晶体管、集成电路的心脏
p-n结定义：p型半导体和n型半导体结合的交界面。
4.p-n结的载流子分布（采用求平衡态导电电子浓度类似的方法）
n(x)
Nc
exp
EF
Ec (x) k0T
nn 0
exp
Ecn
Ec (x) k0T
nn 0
exp
qV (x) qV D k0T
p(x)
pn0
exp
qV D
qV (x) k0T
np0
nn0
exp
qVD k0T
突变结：p、n区杂质均匀分布，两侧杂质类型及 浓度突然变化（合金法或离子注入法 ）
基本结构示意图
缓变结：从一区域到另一个区域杂质浓度是逐渐变化的（扩散法 ）
突变结杂质分布(合金结、 高表面浓度的浅扩散结)
缓变结杂质分布（低表面浓 度的深扩散结）
(一) 合金法 把一小粒铝放在一块n型单晶Si片上，加热到一定的温
平衡p-n结的能带图
电子
n区
费米能级高
p区 空穴 费米能级低
EFn下移
内建电场 整个能带移动
EFp上移
统一的费米能级
3.p-n结接触电势差
qVD
EF
n
EF
p
，VD为p -
n结接触电势差
内建电场导致的电势降落
VD的影响因素
n区电子平衡浓度：
本章内容提要
p-n结及其能带图 p-n结伏安特性 p-n结电容 p-n结击穿 p-n结隧道效应
同一种半导体材料n、p型样品接触
p-n 结
理想p-n 结的 J-V 曲线
电流电压特性 电容效应 击穿特性
意义
晶体管、集成电路的心脏
p-n结定义：p型半导体和n型半导体结合的交界面。
4.p-n结的载流子分布（采用求平衡态导电电子浓度类似的方法）
n(x)
Nc
exp
EF
Ec (x) k0T
nn 0
exp
Ecn
Ec (x) k0T
nn 0
exp
qV (x) qV D k0T
p(x)
pn0
exp
qV D
qV (x) k0T
np0
nn0
exp
qVD k0T
突变结：p、n区杂质均匀分布，两侧杂质类型及 浓度突然变化（合金法或离子注入法 ）
基本结构示意图
缓变结：从一区域到另一个区域杂质浓度是逐渐变化的（扩散法 ）
突变结杂质分布(合金结、 高表面浓度的浅扩散结)
缓变结杂质分布（低表面浓 度的深扩散结）
(一) 合金法 把一小粒铝放在一块n型单晶Si片上，加热到一定的温
平衡p-n结的能带图
电子
n区
费米能级高
p区 空穴 费米能级低
EFn下移
内建电场 整个能带移动
EFp上移
统一的费米能级
3.p-n结接触电势差
qVD
EF
n
EF
p
，VD为p -
n结接触电势差
内建电场导致的电势降落
VD的影响因素
n区电子平衡浓度：
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PN结的形成
P
N
扩散电流
空穴 电子
多子
空穴
少子
电子
图01.01.08 PN结的形成
HIT基础电子技术电子教案----PN结
2006.06
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
空穴 电子
多子
少子
图01.01.08 PN结的形成
HIT基础电子技术电子教案----PN结
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P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
扩散电流 ＝ 漂移电流
HIT基础电子技术电子教案----PN结
2006.06
PN加正向电压时的导电情况
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场
R
IF电压
HIT基础电子技术电子教案----PN结
2006.06
PN结加反向电压时的导电情况
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场 R
E IS
图 01.01.14 扩散电容示意图
HIT基础电子技术电子教案----PN结
2006.06
图01.01.12 PN结加反向电压
HIT基础电子技术电子教案----PN结
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势垒电容CB
P
N
CB
U
反向区
U
U 0
图 01.01.13 势垒电容示意图
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扩散电容CD
少子浓度
pn
np
1
2
2 1
O
x
P
N
R PN 结
+
-
U U
空穴 电子
空穴 电子
多子
少子
图01.01.08 PN结的形成
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以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程 过程概括如下：
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
P
N
扩散电流
空穴 电子
多子
空穴
少子
电子
图01.01.08 PN结的形成
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P
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内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
空穴 电子
多子
少子
图01.01.08 PN结的形成
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P
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内电场
漂移电流 扩散电流
扩散电流 ＝ 漂移电流
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PN加正向电压时的导电情况
Ｐ
PN结
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内内电电场场
外电场
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PN结加反向电压时的导电情况
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PN结
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内内电电场场
外电场 R
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图01.01.12 PN结加反向电压
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势垒电容CB
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反向区
U
U 0
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扩散电容CD
少子浓度
pn
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1
2
2 1
O
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R PN 结
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空穴 电子
空穴 电子
多子
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以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程 过程概括如下：
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散