微电子器件第二章 PN结
第二讲 模拟电子技术基础PN结
PN结无论是本征半导体，还是单一杂质半导体是不能构成电子器件的。
只有将两种杂质半导体进行有机结合，才能制造出电子器件。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面将形成PN结。
PN结具有单向导电性。
它是构成电子器件的最小结构。
在半导体器件和集成电路中具有重要的作用。
1.2 PN结及其单向导电性1.2.1 PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。
P型半导体和N型半导体的交界面形成一个特殊的薄层，称为PN结。
NP+++---+++++++++++++-------------PN结（1）PN结形成的物理过程：交界面两侧载流子存在浓度差空穴和电子在交界面产生复合多子浓度骤然下降不移动带电离子形成空间电荷区耗尽层、PN 结多子的扩散运动N 区的电子（多子）向P 区扩散P 区的空穴（多子）→N 区空间电荷区（PN 结）PN耗尽层内电场+_PN 结内：N 区失去电子→显正电性P 区得到电子→显负电性在空间电荷区内形成了N 区→P 区的电场，称为内电场1.2 PN结及其单向导电性（2）PN结内存在两种载流子的运动：空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动阻止多子扩散运动形成PN 结宽度相对稳定②少子的漂移运动：N 区的空穴→P 区P 区的电子→N 区空间电荷区变窄空间电荷区加宽①多子的扩散运动：N 区的电子→P 区P 区的空穴→N 区扩散和漂移达到动态平衡1.2 PN结及其单向导电性NP ++++++++++++++++----------------E 多子的扩散运动浓度差少子的漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
扩散的结果使空间电荷区变宽。
RUN P ++++++++++++++++----------------U φUi D++__1.2.2PN 结的单向导电性（1）PN结加正向电压（正偏）：P 区接电源正极，N 区接负极外电场与内电场方向相反外电场削弱内电场耗尽层变窄破坏PN 结动态平衡扩散运动＞漂移运动多子扩散形成较大的正向电流PN结呈现低阻导通状态1.2 PN结及其单向导电性RUU i RU φN P ++++++++++++++++----------------++__（2）PN结加反向电压（反偏）：P 区接负电源，N 区接正外电场与内电场方向相同外电场加强内电场耗尽层变宽破坏PN 结动态平衡漂移运动＞扩散运动少子漂移形成极小的电流PN结呈现高阻截止状态1.2 PN结及其单向导电性1.2 PN结及其单向导电性PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。
第2章_2_PN结
2.反向偏压作用 2.反向偏压作用
外加偏压几乎全落在空 间电荷区上. 间电荷区上.方向与空间 电荷区内建电场一致, 电荷区内建电场一致,使 空间电荷区变宽，相应 势垒高度也由qV 势垒高度也由qVD增至 q(VD+V)。 +V)。 由于电场增强，加强了 载流子的漂移运动，打 破了原先已达成的扩散 电流和漂移运动之间的 平衡。
2.3.4 pn结电容 pn结电容
PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN 结的高频应用。
1. pn结势垒电容 pn结势垒电容
（1）pn结势垒电容定性分析 pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒 区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充 放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容， 记为C 记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关， 是一个可变电容。 dQ CT = dV
由于少子浓度很低，扩散长度为一定值， 所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度 较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少 子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度 梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 外加电压的增加电流趋于饱和。
I = A(
qDnnp0 Ln
qDPP 0 kT n + )(e −1) = IS (ek pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和 分别为P区和N 少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。
Ln = Dnτ n
PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子， PN结在平衡状态下，在N 空穴是少子，在P 空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子 是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩 散，N型区的电子向P型区扩散。P 散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区 边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带 正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动， 它们就在P 它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空 间电荷区。
微电子器件基础-PN结
eN d x 2 eN a 2 φ(x) = (x n ⋅ x − ) + xp εs 2 2εs
1.2.3 空间电荷区宽度
例7-2
1.3 反偏
z
例7.3
势垒电容
z z
势垒电容产生机理 定义
1.3.3 单边突变结
z
P+N,Na>>Nd
电容倒数的平方与反 偏电压线性关系。曲 线外推与横轴交点， 为内建电势差的绝对 值。 通过实验方法可确定 掺杂浓度。
突变结当xpx0时?enaexxps?endexn?xs当0xxn时12空间电荷区的电势分布均匀掺杂pn结空间电荷区的电势p区p区电势表达式同样对n区电势表达式积分可得电势12空间电荷区的电场和电势分布当xpx0时当0xxn时ena2xxxp2sendena2xxxn?x?xps22s2123空间电荷区宽度例7213反偏z例73势垒电容zz势垒电容产生机理定义133单边突变结zpnnand电容倒数的平方与反偏电压线性关系
第1章
PN 结
z z z z
1.1 1.2 1.3 1.4
PN结的基本结构 零偏-空间电荷区的电场和电势分布 反偏 非均匀掺杂pn结
1.1 PN结基本结构
PN 结含义： 在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工 艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶 相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类 型，在二者交界面的过渡区即称为PN结-冶金结。
1.4 非均匀掺杂pn结
z
NONUNIFORMLY DOPED JUNCTIONS
线性缓变结的电场是距离的二次函数，而均匀掺杂pn结中电场是距离的 线性函数。线性缓变结的电场最大值仍是冶金结处的电场。
微电子器件2-2
pn(x)pn0 exp q kV T 1 exp x Lpxn 代入空穴扩散电流密度方程，得 N 区内的空穴扩散电流密度为
Jd p q D p d d x p n x xnq D L p p p n0 ex p q kV T 1 （2-52a）
pn(x)AexpL xpBexp
x Lp
当 N 区足够长 ( >> Lp ) 时，利用 pn(x) 的边界条件可解出 系数 A、B，于是可得 N 区内的非平衡少子空穴的分布为
pn(x)pn0expqkV T1expxLpxn
2.2 PN 结的直流电流电压方程
PN 结在正向电压下电流很大 ，在反向电压下电流很小 ， 这说明 PN 结具有单向导电性，可作为二极管使用。
PN 结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路 中的符号为
本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。 这称为“结定律”，并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN 结两侧中性区内的 少子浓度分布 和 少子扩散电流； 3、PN 结的 势垒区产生复合电流
当
V
>>
kT/q
时，
Jr
qnixd
2
exp2qkVT
当V
<
0
且 |V|
>>
kT/q
时，
Jg
qni xd
2
3、扩散电流与势垒区产生复合电流的比较 以 P+N 结为例，当外加正向电压且 V >> kT/q 时，
J J d r 2x L d p N n D i e x p 2 q k V T 2 L p x d N N D C N V e x p E 2 G k T q V
第二章 PN结
第二章 P-N结
精品资料
引言(yǐnyán)
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半 导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构(jiégòu) 成。PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富 的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体 器件器件物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导 体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学 时的四分之一。
0npV TlnN n diN 2a
精品资料
2.1热平衡PN结
• 小结
• 解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势(diànshì)、内建电 势(diànshì)差和耗尽层宽度：
m1
x xn
（2-14）
m
qNdxn k0
（2-15）
2qkN d0xn21xxn2 （2-16） Wxn2kq0N d 012 （2-18）
精品资料
扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动， 使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。 液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从 而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周 形成(xíngchéng)饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。
精品资料
2.2 加偏压(piān yā)的 P-N 结
• 小结
• 根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向
✓ 作业题：2.2 、 2.4 、 2.5、2.7、2.10
✓
精品资料
2.2 加偏压(piān yā)的 P-N 结
精品资料
微电子概论第二章微电子概论 第三节 双极型晶体管
1
1
iCBO ic
说明 > ，由于接近1，所以达
1
几十乃至上百。主要是由于输入端
由微弱的复合电流控制，而输出端
有大的漂移电流增强
➢穿透电流、注入效率与输运系数 (1) 穿透电流
iB
iCBO iCn
令 IC EO (1 ) IC B O
则 iC iB ICEO
当 iB=0 时， iC=ICEO
(2)注入效率
Rb
iB
iE
VBB
iE
称ICEO为穿透电流
发射区向基区注入电流的效率： = iEn/ie
(3)输运系数
基区向集电区电子输运的效率： = iCn/iEn 显然， = iCn/ie ≈
iC Rc
VCC
➢电压放大原理
N
共基极电压放大倍数GV及功率放大倍数GP
GV
iC RC iere
RC re
作业2
1. 已知：一只NPN型双极型晶体管共发射极 连接，测得其电压放大倍数为15，功率放 大倍数为930，基极电流Ib = 50 A，求解 以下问题：（1）画出电路图，并标出发射 极电流Ie、集电极电流Ic和基极电流Ib方向；
（2）求电流放大倍数；（3）求发射极电
流Ie、集电极电流Ic。
2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什 么？
iB′ ic iE iB
共发射极 大
大 大
共基极 大
大
iCn iCBO
iB iE
iE
iC Rc VCC
iC Rc
VCC iB VBB
➢电流增益关系
iE iC iB iE iB iCn iC iCn ICBO iB iB ICBO
电子科技大学《微电子器件》课程重点与难点.
重点与难点第1章半导体器件基本方程一般来说要从原始形式的半导体器件基本方程出发来求解析解是极其困难的,通常需要先对方程在一定的具体条件下采用某些假设来加以简化,然后再来求其近似解。
随着半导体器件的尺寸不断缩小,建立新解析模型的工作也越来越困难,一些假设受到了更大的限制并变得更为复杂。
简化的原则是既要使计算变得容易,又要能保证达到足够的精确度。
如果把计算的容易度与精确度的乘积作为优值的话,那么从某种意义上来说,对半导体器件的分析问题,就是不断地寻找具有更高优值的简化方法。
要向学生反复解释,任何方法都是近似的,关键是看其精确程度和难易程度。
此外,有些近似方法在某些条件下能够采用,但在另外的条件下就不能采用,这会在后面的内容中具体体现出来。
第2章PN结第2.1节PN结的平衡状态本节的重点是PN结空间电荷区的形成、内建电势的推导与计算、耗尽区宽度的推导与计算。
本节的难点是对耗尽近似的理解。
要向学生强调多子浓度与少子浓度相差极其巨大,从而有助于理解耗尽近似的概念,即所谓耗尽,是指“耗尽区”中的载流子浓度与平衡多子浓度或掺杂浓度相比可以忽略。
第2.2节PN结的直流电流电压方程本节的重点是对PN结扩散电流的推导。
讲课时应该先作定性介绍,让学生先在大脑中建立起物理图象,然后再作定量的数学推导。
当PN结上无外加电压时,多子的扩散趋势正好被高度为qV bi的势垒所阻挡,电流为零。
外加正向电压时,降低了的势垒无法阻止载流子的扩散,于是构成了流过PN结的正向电流。
正向电流的电荷来源是P区空穴和N区电子,它们都是多子,所以正向电流很大。
外加反向电压时,由于势垒增高,多子的扩散变得更困难。
应当注意,“势垒增高”是对多子而言的,对各区的少子来说,情况恰好相反,它们遇到了更深的势阱,因此反而更容易被拉到对方区域去,从而构成流过PN结的反向电流。
反向电流的电荷来源是少子,所以反向电流很小。
本节的难点是对有外加电压时势垒区两旁载流子的运动方式的理解、以及电子(空穴电流向空穴(电子电流的转化。
微电子器件(2-1)
Emax
s
qN0
Emax
（2-8）
式中，N0
NA ND NA ND
称为 约化浓度。
4、内建电势
对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi
Vbi
xn E(x) dx
xp
1 2
xn xp
Emax
s
2qN0
E2 max
1
或
Emax
2qN0
2
1
xn
s
qND
Emax
2
q
s
ND
NA (NA
ND )
Vbi
2
1
xp
s
qNA
Emax
2s
q
NA
ND (NA
ND
)
Vbi
2
1
xd xn xp
2Vbi Emax
2 s
qN0
Vbi
2
5、单边突变结的情形 对于 P+N 单边突变结，
3、耗尽区宽度
在 x = 0 处，内建电场达到最大值，
q
q
E(0)
Emax
s
xn ND s
xp NA
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，
xn
s
qND
Emax
xp
s
qNA
Emax
（2-6） （2-7）
xd
xn
微电子器件课件2-1学习资料
（2-5b）
P
N
E
E max
x xp 0 xn
以上求得的 E(x) 就是 PN 结的 内建电场。
3、耗尽区宽度
在 x = 0 处，内建电场达到最大值，
E0Em axqsxnNDqsxpNA
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：
xn
已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的 电流密度方程可得：
JpqDpd dp xqppE0
从上式可解出内建电场，
Ex Dp 1 dp kT d l n p
p p dx q d x
并可进一步求出内建电势为
Vbi xxnpExdxkqT
pp0dlnpkT
pn0
q
lnpp0 lnpn0
内建电场
P区
NA- NA- ND+ pp0
N区
ND+ nn0
空间电荷区
2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度
1、耗尽近似与中性近似 耗尽近似：假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完 全耗尽，空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可 称为 “耗尽区”。 中性近似：假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度 ， 因而保持电中性。这时这部分区域又可称为 “中性区”。
x
可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧， E m a x 与 x d 也
主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。
2.1.3 能带图
已知突变结耗尽区内的电场分布 E(x) 后，对 E(x) 作一次
积分就可以求出耗尽区内的 电位分布 x 以及 电子的电位能 分布 qx，这也就是 PN 结的能带图。
再利用 “ 载流子浓度 e x 载p 流子能量kT ” 的关系，
半导体器件物理课件-pn结2
平衡p-n结：
载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所达到 的动态平衡（p-n结的净电流为零）。
PN结
多子的扩散运动
少子的漂移运动
形成扩散电流 并增加空间电荷区的宽度
形成漂移电流 并减小空间电荷区的宽度
平衡时
空间电荷区的宽度也达到稳定，电流为零
平衡p-n结
PN结
2.1热平衡PN结
2.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）
x
y0
c （ ）
Na Nd
xn 电场分布、电势分布
PN结
2.1热平衡PN结
qN d d 2y 对N侧Poisson方程 做一次积分： 2 dx k 0 qN dy d ( x xn ) dx k 0 dy 0 x xn , 边界条件： dx x dy 应用 得： m 1 dx xn qN x m d n k 0
恒定费米能级的条件是由电子从N型 一边转移至P型一边，空穴则沿相反
p 型电中性区 边界层 边界层 n 型电中性区 耗尽区
方向转移实现的。电子和空穴的转移
在N型和P型各边分别留下未被补偿的 施主离子和受主离子。它们是荷电的，
固定不动的，称为空间电荷。空间电
荷存在的区域叫做空间电荷区。
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
PN结
引言
3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
SiO 2
N Si
N+
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
电子科技大学微电子器件习题
第二章PN结填空题1、若某突变PN结的P型区的掺杂浓度为N A=×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度p与平衡少子浓度n p0分别为（）和（）。
p02、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。
内建电场的方向是从（）区指向（）区。
3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。
由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。
4、PN结的掺杂浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势V bi就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容C T就越（），雪崩击穿电压就越（）。
5、硅突变结内建电势V bi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。
6、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
7、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
8、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p与外加电压V之间的关系可表示为（）。
若P型区的掺杂浓度N A=×1017cm-3，外加电压V= ，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度n p为（）。
9、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。
10、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。
11、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。
12、当对PN结外加正向电压时，由N区注入P区的非平衡电子一边向前扩散，一边（）。
每经过一个扩散长度的距离，非平衡电子浓度降到原来的（）。
13、PN结扩散电流的表达式为（）。
这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。
14、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。
电子科技大学中山学院微电子器件期末复习重点(陈卉版)
第一章
泊松方程（高斯定律的微分形式）∮������ ������ · ������������ = ∫������ ������������ ������������ 物理意义：流出一个闭合曲面的电通量等于这个闭合曲面所围成体积内的净自由电荷量。
第二章（重点章节）
漂移，漂移的方向正与以上扩散的方向相反。平衡时，载流子的漂移与扩散相等，自建电场区没有载流子，称之为空间
电荷区。这样，PN 结就形成了。 计算平衡多子和平衡少子【P7 公式 2-2（a）（b）】
np0
ni2 pp0
ni2 NA
ni
平衡多子 P 区 pp0 NA ni N 区 nn0 ND ni
平衡少子
P区 N区
pn 0
ni2 nn0
ni2 ND
ni
平衡 PN 结特点 空穴扩散 P 区→N 区 电子扩散 N 区→P 区 扩散电流方向 P 区→N 区
PN 结的结构、类型
突 变 结：P 区与 N 区杂质浓度都是均匀的杂质浓度在冶金结面（x=0）处发生突变
单边突变结：当一侧的浓度远大于另一侧时（两种：P+N、PN+）
0xd，从idx而发1生雪崩击穿。
雪崩击穿电压与温度的关系：雪崩击穿电压具有正温系数，即温度 T 上升时，VB 增大。
2-5 2-6
势垒电容与扩散电容的比较
CT
A s xd
势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化率；正负电荷在空间上是分离的；与直流偏压成幂函数关系；正偏反偏下均
存在，可作电容器使用；要使 CT↓， 应使 A↓，xd↑（N ↓,反偏↑）。
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。
半导体器件物理(第二章 PN结)
2.2 PN结的直流特性
用与正向PN结类似的方法，可以求出PN结反向电流为
I R Aq(
Dn n p 0 Ln
D p pn 0 qU ) exp( ) 1 I 0 Lp kT
随着反向电压的增大，反向电流将趋于一个恒定，仅与少子浓 度、扩散长度、扩散系数有关，我们称之为反向饱和电流。少数载 流子浓度与本征载流子浓度平方成正比，并且随温度升高而快速增 大，因此，反向扩散电流会随温度升高而快速增大。
3.PN结正向电流电压关系
空穴扩散电流密度
qD p pn 0 qU J p ( xN ) exp( ) 1 Lp kT
电子扩散电流密度
qDn n p 0 qU Jn (xp ) exp( ) 1 Ln kT
通过PN结的总的电流密度
J (
2.4 PN结的击穿特性
2.隧道击穿
隧道击穿是在强电场作 用下，由于隧道效应（P区价 带中的电子有一定的几率直 接穿透禁带而到达N区导带 中），使大量电子从价带进 到导带所引起的一种击穿现 象。因为最初齐纳用这种现 象解释电介质的击穿，故又 称齐纳击穿。
Ec
Ev
xm
P
A
d
N
B
3.热击穿
PN结工作时的热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温 上升又导致反向电流和热损耗的增加。若没有采取有效措施，就会形 成恶性循环，一直到PN结被烧毁。这种热不稳定性引起的击穿称为热 击穿或热电击穿。
I
在PN结上加反向电压时， 反向电流是随着反向电压的增 大而微小地增加的，然后趋于 饱和，这时的电流称为反向饱 和电流。反向电压继续增大到 某一定值时，反向电流就会剧 增，这种现象叫做反向击穿。
微电子器件第二章
Dp Lp N D
Dn Ln N A
室温下硅 PN 结的 J0 值约为 10-10A/cm2 的数量级。 J0 乘以 PN 结的结面积 A ，得
I0 AJ0
由于当 V < 0 且 |V| >> kT/q 后，反向电流达到饱和值 I0 ， 不再随反向电压而变化，因此称 I0 为 反向饱和电流 。
2qN0
E2 max
Vbi
kT q
ln
NA ND ni2
E
Emax
xp 0
x xn
Vbi 与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂 范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V，锗的 Vbi 约为 0.35V。
最后可得
1
Emax
2qN0
s
Vbi
2
1
xn
PN 结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路 中的符号为
2.2.1 外加电压时载流子的运动情况
外加正向电压 V 后，xd 与 Emax 减小，PN 结的势垒高度由
qVbi 降为 q(Vbi -V ) 。
外加电场
内建电场
P
N
平衡时
E
外加正向电压时
面积为 Vbi 面积为 Vbi-V
0
x
势垒高度降低后不能再阻止 N 区电子向 P 区的扩散 及 P 区 空穴向 N 区的扩散，于是形成正向电流 。由于正向电流的电荷 来源是多子，所以正向电流很大。
扩散
漂移
xn
2.2.2 势垒区两旁载流子浓度的玻尔兹曼分布
因此，在 N 型区与耗尽区的边界处，即 xn 处，
PN结 PPT课件
将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂
成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一
个特殊的薄层
PN结
13
① 多子扩散运动形成空间电荷区
由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…
扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不
能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能
移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的
(b)锗原子 简化模型
硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个
价电子。
4
1.本征半导体（纯净的半导体晶体）
点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子 之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的 价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子
硅 和 锗 的
晶 体 结 构 （ａ）点阵结构
（ｂ）共价键结构
a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内 电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。
19
P42
c. 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反 向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向 电流 IR 急剧增加。
5
热激发产生自由电子和空穴
室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚
成为自由电子，同时在 共价键中留下一个空位 这个空位称为“空穴” 。失去价电子的原子成 为正离子，就好象空穴 带正电荷一样。
在电子技术中,将空穴看 成带正电荷的载流子。
6
空穴运动 （与自由电子的运动不同）
有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补
(a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
qVD kT
2.1.5、平衡PN结载流子浓度分布
势垒区本征费米能级 随x的变化
Ei x Eip qV x
（1）空间电荷区内的载流子浓度
EF Ei x kT
Ei x EF kT
nx ni e
px ni e
（2）空间电荷区边界的少数载流子 浓度
内建电场促使 少子漂移 内建电场阻止 多子扩散
多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.1.2、空间电荷区
N
XN
XP
P
空间电荷区XM
基本概念：
空间电荷 空间电荷区
2.1.3、平衡PN结能带图 （没有外加偏压）
空间电荷区
P
xp
电势
内建电场
N
xn
VD
形成PN结前
电子势能 能带
qVD
qVD
EC EF Ei EV
-Xp 0
空间电荷区
Xn
求VD :
电势 电子势能 能带
P
内建电场
N
VD
qVD
qVD
EC EF Ei
EV
2.1.4、PN结内建电势差 （1）突变结：
kT N A N D 式中 NA：P区掺杂浓度； VD ln ND：N区掺杂浓度 q ni2
kT 0.026 V q
ni ：本征载流子浓度
T 300K
2.2.4、V-I 特性方程
2.2.4、V-I 特性方程 肖克莱方程
I I0 e
qVA / kT
1
qDP Pn 0 qDn n p 0 I0 A Ln LP
反向电流：
2.2.4、V-I 特性方程
单边结近似
NA>>ND
2 P i
对于P+N结
qDP Pn 0 qVF / kT qD n qVF / kT I IP A e A e LP Lp N D
空穴扩散
2.2.2、反向PN结
（1）反向PN结的少子抽取 反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同 增强空间电荷区中的电场 破坏扩散漂移运动平衡 漂移运动强于扩散运动 抽取少子
Ln
Lp
N
漂移
P
P区
扩散
反向偏置时，漂移大于扩散
漂移
空穴： N区
电子： P区
N区
扩散
2.2.2、反向PN结
P区 N区
(2)反向PN结中载流子的运动
jp
1、反向电流很小 2、在少子扩散长度内有扩散和 产生 3、反向电流趋于不变
jn
Ln
Lp
2.2.3 非平衡PN结的能带图
（1）正偏
（2）反偏
2.2.4、V-I 特性方程
1、理想PN结模型
（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远 低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。 （2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区以外为 电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势 垒区的电流密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流的影响。 （5）只考虑一维情况。
J J D J RG qLn
np0
n
e
qVF kT
ni 2 kT qxm e 2
qV F
2.3.11
讨论： ①势垒区复合电流随外加电压的增加比较缓慢，例如外加电压 增加0.1V，正向注入电流可增加50倍，而势垒区复合电流只增 加7倍，因此只有在比较低的正向电压，或者说比较小的正向电 流时，空间电荷区复合电流才起重要作用； ②势垒区复合电流正比于ni ，而正向注入的扩散电流却正比于 ni2，所以ni 越大，复合电流的影响就越小。硅的本征载流子浓 度比锗小，在小电流范围内复合电流的影响就必须考虑，它是 使硅晶体管小电流下β下降的原因。
np0 qVD qVD nn 0 exp pn 0 p p 0 exp kT kT
2.2 PN结直流V-I特性（肖克莱方程）
非平衡PN结
处于一定偏置状态下的PN结称 为非平衡PN结。 当P区接电源的正极，N区接电 源的负极，称为正向PN结。反 之，则称反向PN结。 外加电压基本降落在势垒区
2.1 PN结的形成及空间电荷区 2.1.1、PN结的形成及类型 1、PN 结含义： 在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工 艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶 相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型， 在二者交界面的过渡区即称为PN结。
PN结
P
N
半导体二极管
半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型 点接触型(a)适用于高频电路，面接触型(b)适用于整流
基本概念：
内建电场 内建电势差VD
形成PN结后 平衡PN结有统一的费米能级
2.1.3、PN结能带图
空间电荷区
平衡PN结能带图
电势
P
xp VD
内建电场
N
xn
空间电荷区又称 势垒区 耗尽层
注意：由“多子”变成“少子”
电子势能 能带
qVD
qVD
EC EF Ei EV
2.1.4、PN结内建电势差
2.2.4、V-I 特性方程
2.坐标 以xn、xp为坐标原点 分别建立坐标系。 步骤： ① 求解“非少子”的扩 散方程 ② →求“非少子”浓度 的边界值 ③ →求“非少子”浓度 梯度 ④ →分别求电子、空穴 的扩散电流密度 ⑤ →求PN结电流
电子 空穴
dx d P n j p qD p dx
dN ( x) a j dx
x x j
αj
xj x
c
2.1.1、PN结的形成及类型
杂 质 浓 度
突变结近似 适用于表面杂质浓度 较高、结深较浅的缓 变结
ND -NA
xj
杂 质 浓 度
x
xj
x
2.1.2、空间电荷区 空间电荷区的形成 载流子浓度差
多子的扩散运动
由杂质离子形成 空间电荷区
空 间 内电 建荷 电区 场形 成
1 np ni2 U n p 2ni
2.3.5
np ni2 U p n n1 n p p1
2.3.1
式中的分子在空间电荷区中是不随位置变化的， U的极大值就 发生在n + p为极小值的地方。利用（2.3.2）、(2.3.3)式对x求极 小值可以得到，n + p的极小值发生在
（7）当T升高时，JF增大，JR增大。
2.3 实际PN结的特性
2.3.1 PN结空间电荷区中的复合电流
正偏时，通过PN结的总电流为：
J J n J p J RG
势垒区复合电流
电子和空穴在空电区中， np ni2 通过复合中心复合的净复 U p n n1 n p p1 合率U可以写为
jn qDn
d n p
2.2.4、V-I 特性方程
2.2.4、V-I 特性方程
PN结N区边界处少子扩散电流密度： PN结P区边界处少子扩散电流密度： qV j p q pN 0 exp kT qV jn q nP 0 exp kT Dn 1 Ln Dp 1 Lp
2.3.1
式中，n和p分别为电子和空穴的浓度,n1和p1为费密能级EF与复 合中心能级Et重和时的导带电子浓度和价带空穴浓度
势垒区载流子浓度
nx ni e
EF n Ei x
kT
2.3.2
px ni e
Ei x EF p kT
2.3.3
Ln
，
n p 0 qV kT e 1 J J n qLn n
2.3.10
物理含义是：注入到P区的电子电流密度Jn ，就是单位时间内 在扩散长度Ln内复合的电子电荷量。这个电流是由非平衡少子 在扩散区内复合形成的，故称其为扩散电流，记为JD。 流过 N+P结的正向电流应为（ 2.3.10）式和（ 2.3.9）式之和， （2.3.10）式中的正向电压V也用 VF 表示，可得
漂移
N区
2.2.1、正向PN结
P区 N区 jp jn
（2）正向PN结中载流子的运动 电流在 N 型区中主要由电子携带 电流在 P 型区中主要由空穴携带
Ln Lp
通过 PN 结的电流在扩散区内实 现电流载体转换
正向的PN结电流输运过程
电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕
空穴漂移
电子漂移
P
N
电子扩散
微电子器件与IC设计
第2章 PN 结
半导体器件物理
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
两种或两种以上不同的极薄（几埃到几百埃）半导体单晶薄膜交替地生长在一 起而形成的周期性结构材料。在原子尺度上人工设计和 改变材料的结构参数和组分， 改变材料的能带结构和物理性能。
(c)是硅平面工艺型二极管的结构 图，是集成电路中常见的一种形式。
2.1.1、PN结的形成及类型 2、PN结的类型 (1)、突变结
P区
N区
单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂 质 浓 度
NA ND xj x
2.1.1、PN结的形成及类型(2)、缓变结杂来自质 浓 度NP
ND -NA
xj
x
2.1.1、PN结的形成及类型
对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V
对于硅PN结，通常可取 VD=0.6—0.7V