7第二章2.3理想PN结的直流电流-电压特性

Physics of Semiconductor Devices
漂移电流 扩散电流
在XP~X’P区域中净产生的电子往XP方向扩散，一到达空间电荷 区边界XP即被电场扫过空间电荷区进入N区，产生的空穴则以 漂移形式流出XP~X’P 。
Physics of Semiconductor Devices
这样形成了由N区流向P区的PN结反向电流。在右侧是电子漂 移电流，在左侧全部变为空穴电流。
5V
例2：画出理想二极管电路的 传输特性（Vo~VI）
Physics of Semiconductor Devices
当VI<0时 D1导通 D2截止
VO
1 2 VI
当VI>0时 D1截止 D2导通
VO
1 2
VI
VO
+5V
+2.5V
- 5V
0
-2.5V
- 5V
+5V
VI
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
2.3 理想PN结的直流电流－电压特性 一 正向电流－电压特性 二 反向电流－电压特性 三 PN结的伏安特性
Physics of Semiconductor Devices
理想PN结模型假设：
（1）外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是 电中性的，可忽略中性区的体电阻和接触电阻；
电子、空穴的复合率：
少子的产生率
边界少子的浓度几乎为0，非平衡载 流子的浓度近似为-np0 和 -pn0
负的复合率表明产生率是正的，上式中分别是空穴扩散区 和电子扩散区中所发生的空穴产生电流和电子产生电流。
Physics of Semiconductor Devices
三 PN结的直流特性
施加正向电压能通过较大电流，正向导通；施加反向电压时， 电流趋于饱和（很小），称PN结处于反向截至。
扩散电流 漂移电流
漂移电流 扩散电流
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
反向电流特性：
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
由于忽略了空间电荷区的复合和产生电流，则总电流： I p (xn ) In (xp )
总电流
二极管的饱和电流
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
PN结具有单向导电性
反向特性
正向特性
门槛电压 死区
Physics of Semiconductor Devices
门槛电压：
在外加电压较低时，正向电流很小，几乎为零，随着电压的 增加，正向电流慢慢增大，当电压大于某一个值时，电流才 有明显的增加。这个电压称为PN结的导通电压或门槛电压 VTH。之后，电流随电压的增加而急剧增大。锗PN结的导通 电压为0.25V，硅PN结的导通电压为0.5V。
应用实例：二极管基本电路Phy分sics析of Semiconductor Devices
例1：求vI1和vI2不同 值组合时的v0值（二极 管为理想模型）。
开关电路
解：
vI1 vI2
二极管工作状态
D1
D2
v0
0V 0V 导通 导通
0V
0V 5V 导通 截止
0V
5V 0V 截止 导通
0V
5V 5V 截止 截止
P区：空穴在外加电压的作用下向边界XP 漂移，越过空间电荷 区，经过边界XN注入N区，然后向前扩散形成空穴扩散电流， 在空穴扩散区域内，空穴扩散电流都通过复合而转化为电子的 漂移电流。
扩散区：少子扩散电流和多子 漂移电流相互转换
扩散区
扩散区
Physics of Semiconductor Devices
（2）均匀掺杂； （3）小注入(即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度)； （4）耗尽区内无复合和产生； （5）半导体非简并。 （6）P型区N型区的宽度远大于少子扩散长度
Physics of Semiconductor Devices
一 正向电流－电压特性
在N型区的右侧，由于注入的非平衡少子（空穴）基本复合消失，
N区：电子在外加电压的作用下向边界Xn 漂移，越过空间电荷 区，经过边界XP注入P区，然后向前扩散形成电子扩散电流， 但在电子扩散区域内，电子边扩散边复合，不断与从左边漂移
过来的空穴复合而转化为空穴的漂移电流，直到X’P 处注入的 电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。
Physics of Semiconductor Devices
少子的扩散电流为零，流过的电流主要是多子－电子的漂移电流
少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计 在P型区的左侧，
中性区
流过的电流主要
是多子－空穴的 漂移电流，少子 （电子）的浓度 很低，其漂移电 流可忽略不计。
P区 扩散电流
漂移电流
复合
复合
扩散电流
漂移电流
N区
扩散区
Physics of Semiconductor Devices
例3：求整流电路的输出波形。
解：
正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止
负半周 D2、D4导通 D1、D3截止
思考 ？
Physics of Semiconductor Devices
实际的PN结中，电流-电压特性发生显著地偏离 这是由空间电荷层内部载流子的复合和产生以及 外部接触电阻等因素所造成的。
电子电流和空穴电流的大小在PN结附近扩散区域内的各处是 不相等的，但两者之和始终相等。说明电流转换并非电流的 中断，而仅仅是电流的具体形式和载流子类型的改变，因此， PN结内的电流是连续的。
则通过PN结任意截面的电流都一样：
扩散电流
漂移电流
复合
漂移电流 复合
扩散电流
根据连续性方程和电流方程：
Physics of Semiconductor Devices
边界条件
空穴的扩散长度
空穴浓度分布
空穴注入的扩散电流：
Physics of Semiconductor Devices
在边界处空穴扩散电流：
边界处
空穴注入的扩散电流分布
电子浓度分布： 电子的扩散电流：
Physics of Semiconductor Devices
电子的扩散长度
在边界处电子扩散电流： 电子注入的扩散电流分布
扩散电流 漂移电流
漂移电流 扩散电流
Physics of Semiconductor Devices
扩散电流 漂移电流
漂移电流 扩散电流
在XN~X’N区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边 界XN处，被电场扫过空间电荷区进入P区，产生的电子以漂 移的形式流出XN~X’N区。
扩散电流 漂移电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
二 反向电流－电压特性 Physics of Semiconductor Devices
在XN~X’N区域和XP~X’P区域的少子浓度低于平衡少子浓度，因 而产生大于复合。