最新第二章-PN结

内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
《半导体器件》中国计量学院光电学院
不对称PN结
耗尽区
耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
➢P区和N区的掺杂浓度相同——对称结；
➢如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小 (轻掺杂)——不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂 区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边.
第二章-PN结
一、PN结的形成 二、PN结的单向导电性 三、PN结的击穿特性 四、PN结的电容效应 五、 PN结的隧道效应
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P型半导体和N型半导体相结合——PN结
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
异质结、同质结
关键在于耗尽层的存在
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PN结的伏安特性
UD
I
伏安特性方程 ID IS(eUT 1)
ID
UBR U B
O
U
加正向电压时，UD只要大
于UT几倍以上，IDISeUD/UT
PN结U-I特性曲线
加反向电压时，|UD|只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS
UT热电势。室温下即T=300K时,UT=26mV
扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与 晶片原有的杂质类型是相反的)，在高温下，形成P-N结。 扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓变的，扩散 结亦称缓变(渐变)结。
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PN结的形成
P
N
耗尽层
势垒区
P
空间电荷区
N
(a)
扩散运动：空间电荷区展宽
漂移运动：空间电荷区变窄
呈现出一个很大的电阻
(高达几百千欧以上)。
漂移电流大于扩散电
－
内电场
外电场 U
＋
流，可忽略扩散电流
UB＋U 在一定的温度条件下，
由本征激发决定的少
E
R
子浓度是一定的
故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。
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综上所述：PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 移电流。 即PN结具有单向导电特性。
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PN结的制备ห้องสมุดไป่ตู้法及杂质分布
将杂质掺入半导体常用的方法：合金法、扩散法、外延 生长法、离子注入法等。
合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球)放在半导体 晶片上(如N型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化， 杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球 下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如P型)区 域，得到了所需的P-N结。用合金法制得的P-N结称为合金 结。在理想的合金结中，N区的施主及P区的受主都是均匀 分布的，在N区和P区的交界处发生突变。因此理想化的合 金结被称作突变结。
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齐纳击穿
在重掺杂的PN结中，耗尽区相对很窄，所以 不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电 场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将 耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键， 产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。
一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪 崩击穿； UBR <4V时为齐纳击穿； UBR介于 4~7V时，两种击穿都有。
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。
内电场 (b)
电
UD
位
U
电
子
qU D
势
能
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在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
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
势垒电容CB
势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。
当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷
正
散电流起支配作用
向
电 流 ＋ 外电场
内电场 － 少数载流子形成的漂
IF
U
移电流方向相反，很
UB－U
小，可忽略。
E
R
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
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PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加反 向电压或反向偏置(简称反偏)
耗尽区
PN 结 处 于 截 止 状 态 ,
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PN结的电容特性
按电容的定义 CQ 或C dQ
U
dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出 电容效应。而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ 结内就有电荷的变化, 说明ＰＮ结具有电 容效应。
PN结的电容效应势垒电容CB和扩散电容 CD两部分组成。
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发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。 当PN结反向击穿时, 只要注意控制反向
电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),
不使其过大, 以免因过热而烧坏PN结, 当反向电压(绝对值)降低时, PN结的性 能就可以恢复正常。 稳压二极管正是利用了PN结的反向击 穿特性来实现稳压的, 当流过PN结的电 流变化时, 结电压基本保持不变。
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PN结的击穿特性
当反向电压超过UBR后稍有增加时， 反向电流会急剧增大，这种现象称 为PN结击穿，并定义UBR为PN结的 反向击穿电压。
电击穿 热击穿 PN结发生电击穿的机理可以分为两
种——雪崩击穿和齐纳击穿
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雪崩击穿
在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时， 耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被 加速，动能增大。当反向电压大到一定 值时，在耗尽区内被加速而获得高能的 少子，会与中性原子的价电子相碰撞， 将其撞出共价键，产生电子、空穴对。 新产生的电子、空穴被强电场加速后， 又会撞出新的电子、空穴对。如此链锁 反应, 使反向电流迅速增大。这种击穿称 为雪崩击穿。
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平衡PN结能带图
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PN结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
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PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩