微电子学概论 3

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小结 （1）什么叫pn结，如何形成的
扩散，自建电场，漂移，势垒
（2） pn结电流电压关系
正向反向
（3）什么叫耗尽层
形成：孤零零的电离杂质中心
（4） pn结的击穿
隧道，雪崩，软
（5） pn结的电容
势垒电容
（6） pn结的制作
扩散，离子注入
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容

流过PN结的电流主要是少子的漂移决定 的，称为PN结的反向电流。
PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小 基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。
I（mA） 画出PN结的理论伏安特 D 2 T=25℃ 性曲线。
1.5 1 0.5
U（mV） 曲线OD段表示PN
0
0.25 50 75 100 -I S
（V）
B
结正向偏置时的伏 安特性，称为正向 特性；
(uA)
图 PN结的理论伏安特性

曲线OB段表示PN 结反向偏置时的伏 安特性，称为反向 特性。

PN结外加正向电压时（P正、N负），空间
电荷区变窄。

不大的正向电压，产生相当大的正向电流。
外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。

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Pn结的IV特性
n型
P型
（１）正偏:p正，n负 势垒降低，电流增大
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回忆： 电子的跃迁禁带的概率比例于 EXP(-Eg/kT) 所以可知，随偏置电压的变化，电流呈指数变 化。
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容 制作
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Pn结的制作
B
1200℃
p n型
（1）扩散
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Pn结的制作
B
p
n型
高真空 高能量 直接打进去
（2）离子注入
平衡：扩散流＝漂移流， n,p区域的费米能级一致 能带的弯曲， 形成势垒
耗尽层的特点 (1)只剩下杂质中心没有自由载流子 因此电阻很大 (2)它的宽度与杂质浓度有关,越浓,越薄 (3)电场强度:边缘为零,线形变化中间最强,
N型 + + + +
P型
-
-
-
-
耗尽层
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
雪崩击穿


由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反 向电压增加到一定数值时，空间电荷数目 较多，自建电场很强，使流过PN结的少子 漂移速度加快，可获得足够大的动能，它 们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电 子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空 穴对。 雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结 中。
e
UT
1
U UT
I ISe 23 kT 1.38 10 300 即正向电流随正向电压的增加以指数 UT 26mV 19 规律迅速增大。 1.6 10 q
U
I I S (e
UT
1)
U
e
UT
1
I≈IS 即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和 电流。
微电子学概论 第二章
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
2.3.1 平衡pn结：无偏压下的pn结
空间电荷区也称作 扩散的结果形成自建电场。
“耗尽区” “势垒 区” 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子
外加电压
流过PN结 绝对温度(K) 的电流 反向饱和电流 电子电荷量 q =1.6×10-19C 玻耳兹曼常数
自然对数的底
k =1.38×10-23J/K

令
kT q
qU
UT 则
I I S (e kT 1)
U
当U大于UT数倍
I I S (e
UT
1)
U
在常温下，T = 300K，
I（mA）

UBR 0 U（V）

加大PN结的反向 电压到某一值时， 反向电流突然剧增， 这种现象称为PN 结击穿，发生击穿 所需的电压称为击 穿电压，如图所示。
图 PN结反向击穿
反向击穿的特点： 反向电压增加很小， 反向电流却急剧增 加。
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
结论：

PN结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和 电流，近似为零， PN结不导电。


PN结的伏安特性

定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关 系的曲线——PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结的伏安特性方程为
qU
I I S (e kT 1)
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齐纳击穿
P型
强电场破坏共价健引起的。 齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高 的PN结中。
n型
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除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。 势垒电容CB 多子的充放电引起的。是指外加电压的 变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而 显示出电容效应。几皮法~几百皮法。 PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而 考虑。
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反偏增加：耗尽层加厚 如果两侧浓度不同，向低浓度一侧扩展
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Pn结的IV特性
P型
n型
（１）反偏:p负，n正 势垒加高，电流很小 I=Is

PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自



建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小，它由少数载流子形成，与少 子浓度成正比。 少子的值与外加电压无关，因此反向电流的 大小与反向电压大小基本无关，故称为反向 饱和电流。 温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结 的反向电流受温度影响很大。