PN结的形成与单向导电性 及开关特性解析 ppt课件
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半导体PN结_图文
n=5×1016/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
21
1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
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结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
40
1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 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。
21
1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
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结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
40
1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 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。
PN结——电容特性优秀课件
的电子电流一定；半导体流向金
－
属的电子电流因电位增加而降低，
故有半导体→金属反向电流（恒
定）。
金属半导体接触I-U特性类似于pn结的伏安特性
I
正向特性
VD
反向特性
肖特基二极管
利用金属—半导体整流接触特性制成的二极管称 为肖特基二极管。
肖特基二极管与pn二极管的比较
相同：单向导电性 不同：
1 反向电流产生机制不同： ➢肖特基二极管为多数载流子工作 ➢pn接面二极管为少数载流子工作 ➢结果：肖特基二极管的饱和电流要 大得多，起始电流也较大。
P
△U变化时，P区 积累的非平衡少 子浓度分布图
3 1
2
电子浓度
1 ΔU=0
2 ΔU<0
x 3 ΔU>0
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. ..
.
.
P
PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。
这种电容效应用扩散电容CD表征。
CD Q U
PN结正偏时，由N区扩 散到P区的电子（非平衡少 子），堆积在 P 区内紧靠 PN结的附近，到远离交界 面处，形成一定的浓度梯 度分布曲线。电压增大， 正向（扩散）电流增大。
扩散电容示意图
U ΔU
N
+ +
+ +
....................................
. . .
..
C1 L
Байду номын сангаасDC
R
+ UD –
PN结单向导电及应用ppt
Liquid Crystal Display），即液晶电视的一种，它与传统液 晶电视的不同主要在于采用了不同的背光 源，从而带来性能上的诸多不同。
• LED电视严格的名称是“LED背光源液晶电 视”，是指以LED做为背光源的液晶电视. • LED光源替代了传统的荧光灯管，画面更优 质，理论寿命更长，制作工艺更环保，并 且能使液晶显示面板更薄。
PN结单向导电性的探讨及应用
学院：物理电子科学学院 专业：电子信息科学与技术 班级：一班
姓名：方烽凡 曾周 李佛 王平 孙景明
1.PN结正向偏置
P区 N区 P区 PN结 N区
正向偏置下：P区的空穴沿着电场的方向运动，而N区电 逆着电场方向，在结区处产生复合，使得PN结变得窄了， 此时PN结表现为一个很小的电阻，PN导通。
2.PN结反向偏置
P区 N区 P区 PN结 N区
反向偏置下：P区的空穴逆着电场的方向运动，而N区电 子沿着电场方向，空穴和电子进一步离开PN结，使得PN 结变得宽了，此时PN结表现为个很大的电阻，PN截止。
3.发光二极管
• 发光二极管简称为LED。 当电子与空穴复合时 能辐射出可见光，光 线的波长、颜色跟其 所采用的半导体材料 种类与掺入的元素杂 质有关，具有效率高、 寿命长、不易破损 等 优点。
• LED电视严格的名称是“LED背光源液晶电 视”，是指以LED做为背光源的液晶电视. • LED光源替代了传统的荧光灯管，画面更优 质，理论寿命更长，制作工艺更环保，并 且能使液晶显示面板更薄。
PN结单向导电性的探讨及应用
学院：物理电子科学学院 专业：电子信息科学与技术 班级：一班
姓名：方烽凡 曾周 李佛 王平 孙景明
1.PN结正向偏置
P区 N区 P区 PN结 N区
正向偏置下：P区的空穴沿着电场的方向运动，而N区电 逆着电场方向，在结区处产生复合，使得PN结变得窄了， 此时PN结表现为一个很小的电阻，PN导通。
2.PN结反向偏置
P区 N区 P区 PN结 N区
反向偏置下：P区的空穴逆着电场的方向运动，而N区电 子沿着电场方向，空穴和电子进一步离开PN结，使得PN 结变得宽了，此时PN结表现为个很大的电阻，PN截止。
3.发光二极管
• 发光二极管简称为LED。 当电子与空穴复合时 能辐射出可见光，光 线的波长、颜色跟其 所采用的半导体材料 种类与掺入的元素杂 质有关，具有效率高、 寿命长、不易破损 等 优点。
PN结的形成及特性-推荐精选PPT
2.2 PN结的形成及特性
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应
在对一于块P本型征半半导导体体和在N两型侧半通导过体扩结散合不面同，的离杂
质子,分薄别层形形成成N的型空半间导电体荷和区P型称半为导PN体结。。此时将在 N型半导在体空和间P电型荷半区导，体由的于结缺合少面多上子形，成所如以下也物 理称过耗程尽: 层。
0
0.5
1.0 DD/V
PN结的伏安特性
PN结加反向电压时的导电情况
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。
由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。
PN结的单向导电性
(3) PN结V- I 特性表达式
iDIS(evD/V T1)
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
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
iD/m A 1.0
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
PN结加正向电压时的导电情况
在一P定N的结温的度单条件向下导，电由本性征激发决定的
少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒当定外的加，电基压本使上PN与结所中加P区反的向电电位压高的于大N小区无的关电，位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 因且浓在度 常 (2差温)下（PTN=3这0结0K）个加电反流向也电称压为时反向饱和电流。
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应
在对一于块P本型征半半导导体体和在N两型侧半通导过体扩结散合不面同，的离杂
质子,分薄别层形形成成N的型空半间导电体荷和区P型称半为导PN体结。。此时将在 N型半导在体空和间P电型荷半区导，体由的于结缺合少面多上子形，成所如以下也物 理称过耗程尽: 层。
0
0.5
1.0 DD/V
PN结的伏安特性
PN结加反向电压时的导电情况
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。
由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。
PN结的单向导电性
(3) PN结V- I 特性表达式
iDIS(evD/V T1)
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
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
iD/m A 1.0
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
PN结加正向电压时的导电情况
在一P定N的结温的度单条件向下导，电由本性征激发决定的
少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒当定外的加，电基压本使上PN与结所中加P区反的向电电位压高的于大N小区无的关电，位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 因且浓在度 常 (2差温)下（PTN=3这0结0K）个加电反流向也电称压为时反向饱和电流。
PN结的形成及特性.ppt
与硅原子相撞时，使价电子脱离共价键的束缚， iD
产生新的电子空穴对，新的电子空穴对又产生
碰撞，又产生新的电子空穴对，这种连锁反应
使载流子数目增加，从而电流增加。 V(BR)
击穿电压>6V
vD
齐纳击穿(Zener译音)，又称隧道击穿：杂
质浓度很高时，PN结的阻挡层很薄，虽然反 向电压只有几伏，但电场强度确很大，强电 场可把共价键中的电子拉出，新产生的电子 空穴使PN结反向电流激增。击穿电压<6V
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的电流 很小。
二、 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思是： P 区接 电源正端、N 区接电源的负端。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思是： P接电 源的负端、N 区接电源正端。
1.PN 结正向偏置 P区接“+”，N区接“-”
指数函数
iD IS (evD /VT 1)
其中Is为反向饱和电流， VT=kT/q，称为热电压，为k为 玻耳兹曼常数，T为热力学温 度，q为电子的电量，常温下， T＝300K时，vT=26mv
i/mA
Hale Waihona Puke 3020Is10
20 10 0
2 0.5 1.0 1.5 v/V 4
-i/ uA
4. PN结的击穿特性
5、PN结的电容特性
势垒电容：因电荷存储在势垒区得名。 Q
Q
CB
Q V
dQ dV
V
,CB
CB0 (1 VD
)m
V
V0
势垒电容 ：PN结耗尽层中缺乏载流子，电阻率 V 高，相当于一绝缘介质，它的两侧为P区和N区， 其导电率较高，相当于电容器的金属板，耗尽层 中存在的不能移动的正负离子相当于存储的电荷， 当外加电压改变时，电荷量也改变，即外加反向 电压时，电荷量增加；外加正向电压时，电荷量 减少，这些现象跟电容的作用类似。因电荷存储 在势垒区而得名。
PN结的形成及特性PPT课件
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少子(自由电子)
P
N
少子(空穴)
N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴 （少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生 的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允 许电流往一个方向流动的元件。
P
N
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P 型半导体
N 型半导体
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少子(自由电子)
P
N
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PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解
PN结的形成及PN结工作原理（单向导电）讲解PN结的形成如果把一块本征半导体的两边掺入不同的元素，使一边为P型，另一边为N型，则在两部分的接触面就会形成一个特殊的薄层，称为PN结。
PN结是构成二极管、三极管及可控硅等许多半导体器件的基础。
PN结载流子的扩散运动如右图所示是一块两边掺入不同元素的半导体。
由于P型区和N 型区两边的载流子性质及浓度均不相同，P型区的空穴浓度大，而N 型区的电子浓度大，于是在交界面处产生了扩散运动。
P型区的空穴向N型区扩散，因失去空穴而带负电；而N型区的电子向P型区扩散，因失去电子而带正电，这样在P区和N区的交界处形成了一个电场（称为内电场）。
PN结内电场的建立PN结内电场的方向由N区指向P区，如右图所示。
在内电场的作用下，电子将从P区向N区作漂移运动，空穴则从N区向P区作漂移运动。
经过一段时间后，扩散运动与漂移运动达到一种相对平衡状态，在交界处形成了一定厚度的空间电荷区叫做PN结，也叫阻挡层，势垒。
PN结的工作原理如果将PN结加正向电压，即P区接正极，N区接负极，如右图所示。
由于外加电压的电场方向和PN结内电场方向相反。
在外电场的作用下，内电场将会被削弱，使得阻挡层变窄，扩散运动因此增强。
这样多数载流子将在外电场力的驱动下源源不断地通过PN结，形成较大的扩散电流，称为正向电流。
由此可见PN结正向导电时，其电阻是很小的。
加反向电压时PN 结变宽，反向电流很小如果PN结加反向电压，如右图所示，此时，由于外加电场的方向与内电场一致，增强了内电场，多数载流子扩散运动减弱，没有正向电流通过PN结，只有少数载流子的漂移运动形成了反向电流。
由于少数载流子为数很少，故反向电流是很微弱的。
因此，PN结在反向电压下，其电阻是很大的。
由以上分析可以得知：PN结通过正向电压时可以导电，常称为导通；而加反向电压时不导电，常称为截止。
这说明：PN结具有单向导电性。
PN结及单向导电性PPT课件
动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + 动画 － － － － － － + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
最新课件
磷原子
在N 型半导体中自由电子
是多数载流子，空穴是少数
载流子。
最新课件
8
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
3
本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
（a. 电子电流、b.空穴电流）
最新课件
10
1.1.3 PN结的形成
载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + 动画 － － － － － － + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
最新课件
磷原子
在N 型半导体中自由电子
是多数载流子，空穴是少数
载流子。
最新课件
8
1.1.2 N型半导体和 P 型半导体
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
动画 掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
3
本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
最新课件 第六章 分立元器件基本电路
4
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
（a. 电子电流、b.空穴电流）
最新课件
10
1.1.3 PN结的形成
载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓
模电课件PN结的形成及特点
模电课件：pn结的形成及特点
目 录
• 引言 • pn结的形成 • pn结的特性 • pn结的应用 • 结论
01 引言
主题简介
pn结的形成
当P型半导体和N型半导体紧密接触 时，由于电子和空穴的扩散作用，会 在接触面形成一个特殊的区域，即 pn结。
pn结的特点
具有整流特性，即正向导通、反向截 止，此外还具有电容效应和击穿特性 。
能带
半导体的能带分为导带、 价带和禁带，禁带宽度较 小。
pn结的形成过程
01
02
03
04
掺杂
在半导体中掺入不同性质的杂 质，形成n型或p型半导体。
电场
在n型和p型半导体之间形成 电场。
载流子
在pn结附近，由于电场的作 用，n型半导体的电子和p型 半导体的空穴会向对方扩散。
平衡状态
当电子和空穴在对方区域内达 到平衡状态时，pn结就形成
了。
03 pn结的特性
正向偏置下的pn结
01
02
03
04
正向偏置下的pn结具有 低阻抗特性，电流可以 顺利通过。
正向偏置下，pn结的电 压降较小，约为0.7v左 右。
正向偏置时，pn结的电 流随电压的增加而线性 增加。
正向偏置下，pn结的功 率损耗较小，适用于低 功耗应用。
反向偏置下的pn结
01
05 结论
本章重点回顾
PN结的形成
PN结的应用
PN结是由P型半导体和N型半导体在 一定条件下接触形成的，其中P型半 导体中的多数载流子是空穴，N型半 导体中的多数载流子是电子。
PN结是电子器件中非常重要的元件， 广泛应用于二极管、晶体管等电子器 件中，用于实现电子信号的放大、整 流、检波等功能。
目 录
• 引言 • pn结的形成 • pn结的特性 • pn结的应用 • 结论
01 引言
主题简介
pn结的形成
当P型半导体和N型半导体紧密接触 时，由于电子和空穴的扩散作用，会 在接触面形成一个特殊的区域，即 pn结。
pn结的特点
具有整流特性，即正向导通、反向截 止，此外还具有电容效应和击穿特性 。
能带
半导体的能带分为导带、 价带和禁带，禁带宽度较 小。
pn结的形成过程
01
02
03
04
掺杂
在半导体中掺入不同性质的杂 质，形成n型或p型半导体。
电场
在n型和p型半导体之间形成 电场。
载流子
在pn结附近，由于电场的作 用，n型半导体的电子和p型 半导体的空穴会向对方扩散。
平衡状态
当电子和空穴在对方区域内达 到平衡状态时，pn结就形成
了。
03 pn结的特性
正向偏置下的pn结
01
02
03
04
正向偏置下的pn结具有 低阻抗特性，电流可以 顺利通过。
正向偏置下，pn结的电 压降较小，约为0.7v左 右。
正向偏置时，pn结的电 流随电压的增加而线性 增加。
正向偏置下，pn结的功 率损耗较小，适用于低 功耗应用。
反向偏置下的pn结
01
05 结论
本章重点回顾
PN结的形成
PN结的应用
PN结是由P型半导体和N型半导体在 一定条件下接触形成的，其中P型半 导体中的多数载流子是空穴，N型半 导体中的多数载流子是电子。
PN结是电子器件中非常重要的元件， 广泛应用于二极管、晶体管等电子器 件中，用于实现电子信号的放大、整 流、检波等功能。
PN结的形成及特性 PPT
P 型半导体
N 型半导体
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少子(自由电子)
P
N
少子(空穴)
N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴 （少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生 的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允 许电流往一个方向流动的元件。
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P
N
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
- - - - - -+ ++ +++
PN结精品PPT课件
P区相对于N区具有电势差 —— VD
3、P-N结能带图
P区电子的能量向上移动 qVD
—— 抵消原来P区和N区电子费密能级的差别
且有
qVD (EF ) N (EF )P
—— 半导体中载流 子浓度远远低于金属
—— PN结处形成的 电荷空间分布区域约 在微米数量级
4．p-n结接触电势差
• 平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD 为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应 的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为 pn的势垒高度。
0
—— 反向抽取使边界少子 的浓度减小
反向电流 j j0 (eqV / kBT 1)
边界处 x 0
N0
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1)
电子扩散流密度
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1) Dn Ln
Dn and Ln —— 电子的扩散系数和扩散长度
注入到P区的电子电流密度
jn
qn
0 P
(
e
qV
/
k
BT
1) Dn Ln
—— 在N区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡 载流子边扩散、边复合形成空穴电流
——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能 漂移过PN结
N区的空穴一到达边界即被拉到P区 P区的电子一到达边界即被拉到N区 —— PN结方向抽取作用
PN加有反向电压 V Vr 势垒变为 q(VD Vr )
P区边界电子的浓度
nP
n e0 qVr / kBT P
n e0 qVr / kBT P
图5-2 合金法制造p-n结过程
3、P-N结能带图
P区电子的能量向上移动 qVD
—— 抵消原来P区和N区电子费密能级的差别
且有
qVD (EF ) N (EF )P
—— 半导体中载流 子浓度远远低于金属
—— PN结处形成的 电荷空间分布区域约 在微米数量级
4．p-n结接触电势差
• 平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD 为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应 的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为 pn的势垒高度。
0
—— 反向抽取使边界少子 的浓度减小
反向电流 j j0 (eqV / kBT 1)
边界处 x 0
N0
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1)
电子扩散流密度
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1) Dn Ln
Dn and Ln —— 电子的扩散系数和扩散长度
注入到P区的电子电流密度
jn
qn
0 P
(
e
qV
/
k
BT
1) Dn Ln
—— 在N区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡 载流子边扩散、边复合形成空穴电流
——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能 漂移过PN结
N区的空穴一到达边界即被拉到P区 P区的电子一到达边界即被拉到N区 —— PN结方向抽取作用
PN加有反向电压 V Vr 势垒变为 q(VD Vr )
P区边界电子的浓度
nP
n e0 qVr / kBT P
n e0 qVr / kBT P
图5-2 合金法制造p-n结过程
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
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。
半导体物理基础 PN结 ppt课件
（4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化 学气相沉积方法。
11
11
PN结制作工艺过程
• 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。
• 离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带 电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的 能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基 片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半 导体片中形成一定的杂质分布。
12
12
PN结制作工艺过程
• 外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺， 外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶 向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
• 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另 一种单晶材料薄膜。
• 外延工艺可以方便地形成不同导电类型， 不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。
13
13
PN结制作工艺过程
• 光刻工艺：光刻工艺是为实现选择掺杂、 形成金属电极和布线，表面钝化等工艺 而使用的一种工艺技术。
0 dx
• 由电场强度的概念，电力线最密集的地
方电场强度最大。因此在公式2-1-15中
取x=0，得到最大电场
EM
qNd xn
K0
• 电场和电势分布：2-1-16和2-1-18
26
26
2.1 热平衡PN结
• 单边突变结：结一边的杂质浓度远高于
另外一边。
•
推导出内建电势为2-1-19
0
qN d xn2 2k 0
Chap2 PN 结
1
1
PN结制作工艺过程
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
11
11
PN结制作工艺过程
• 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。
• 离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带 电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的 能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基 片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半 导体片中形成一定的杂质分布。
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PN结制作工艺过程
• 外延工艺：外延是一种薄膜生长工艺， 外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶 向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
• 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另 一种单晶材料薄膜。
• 外延工艺可以方便地形成不同导电类型， 不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。
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13
PN结制作工艺过程
• 光刻工艺：光刻工艺是为实现选择掺杂、 形成金属电极和布线，表面钝化等工艺 而使用的一种工艺技术。
0 dx
• 由电场强度的概念，电力线最密集的地
方电场强度最大。因此在公式2-1-15中
取x=0，得到最大电场
EM
qNd xn
K0
• 电场和电势分布：2-1-16和2-1-18
26
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2.1 热平衡PN结
• 单边突变结：结一边的杂质浓度远高于
另外一边。
•
推导出内建电势为2-1-19
0
qN d xn2 2k 0
Chap2 PN 结
1
1
PN结制作工艺过程
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
高二物理竞赛课件PN结及其单向导电性(1)
PN结及其单向导电性
PN结及其单向导电性
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。此时将在P 型半导体和N型半
导体的结合面上形成如下物理过程:
P
两侧载流子存在浓度差
空间电荷区 （PN结）
耗尽层
内电场
N
多子扩散运动:空穴：PN；电子NP 空穴和电子产生复合
3. 反向电流IR
—二极管未击穿时的反向电流。
4. 最高工作频率fM
—二极管工作的上限频率。
半导体二极管
.4 二极管的等效电路
1. 理想模型
iD
2.恒压降模型
iD
3. 折线模型
iD
0
uD
0
Uon uD
0
U on
uD
U on
r Uon D
含有二极管电路的分析方法：首先判断电路中二极管的状态（导通/截止）， 方法可以先假设二极管断开，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向 电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则截止。判断完二极管状态 再采用不同模型分析电路。
mV
半导体二极管
二极管的结构
半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接 触型和平面型。
点接触型二极管
面接触型二极管
平面型二极管
半导体二极管
.2 二极管的伏-安特性
反向击穿电压 U BR
iD
uD
开启电压 Uon导通压降 硅：0.5V 硅：0.7V 锗：0.1V 锗：0.3V
iD
锗
反向击穿电压 UBR 反向饱和电流 0
→多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
PN结及其单向导电性
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。此时将在P 型半导体和N型半
导体的结合面上形成如下物理过程:
P
两侧载流子存在浓度差
空间电荷区 （PN结）
耗尽层
内电场
N
多子扩散运动:空穴：PN；电子NP 空穴和电子产生复合
3. 反向电流IR
—二极管未击穿时的反向电流。
4. 最高工作频率fM
—二极管工作的上限频率。
半导体二极管
.4 二极管的等效电路
1. 理想模型
iD
2.恒压降模型
iD
3. 折线模型
iD
0
uD
0
Uon uD
0
U on
uD
U on
r Uon D
含有二极管电路的分析方法：首先判断电路中二极管的状态（导通/截止）， 方法可以先假设二极管断开，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向 电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则截止。判断完二极管状态 再采用不同模型分析电路。
mV
半导体二极管
二极管的结构
半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接 触型和平面型。
点接触型二极管
面接触型二极管
平面型二极管
半导体二极管
.2 二极管的伏-安特性
反向击穿电压 U BR
iD
uD
开启电压 Uon导通压降 硅：0.5V 硅：0.7V 锗：0.1V 锗：0.3V
iD
锗
反向击穿电压 UBR 反向饱和电流 0
→多子扩散形成正向电流I F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体
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2．反向偏置时，I0,VR0，相当于开关断开。
ppt课件
12
10.2.1 二极管的开关特性
二、二极管的开关时间
1．反向恢复时间tre：
二极管反偏时，从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止
状态所需的时间。
例如2CK系列硅二极管tre5ns； 2AK系列锗二极管 tre150ns
2．正向开通时间ton： 二极管正偏时，从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通
状态所需的时间。
实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间,
通常因为它对二极管开关速度的影响很小,可以忽略不计。
所以，二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。
ppt课件
13
10.2.2 三极管的开关特性 一、三极管开关作用
ppt课件
2
=>1.2 半导体二极管
1.2.1 PN结及其单向导电性
1. PN结中载流子的运动（PN结的形成）
在P型半导体和N 型半导体的交界面两侧， 由于电子和空穴的浓度 相差悬殊，N区的多数 载流子电子向P区扩散， P区的多数载流子空穴 也向N区扩散。
ppt课件
3
电子和空穴扩散运动的结果，在交界面 两侧形成一个由不能移动的正、负离子组 成的空间电荷区，这就是PN结。
截止
iB ≈ 0 发射结和集电结
均为反偏
放大
0
iB
I CS
发射结正偏 集电结反偏
饱和
iB
I CS
发射结和集电结均正偏
集电极电流
工
作
特
点
管压降
iC≈0 VCEO≈VG
iC≈ iB VCEO = VG iCRc
且不随iB增加而增加
VCES≈0.3V(硅管) VCES≈0.1V(锗管)
ppt课件
4
2. PN结的单向导电性
(1) PN结外加正向电压
电源的正极接P区， 电源的负极接Ｎ 区，称为正向偏 置（简称正偏）
ppt课件
5
正向接法时，外电场的方向与PN结中内电场 的方向相反，削弱了内电场，空间电荷区的宽度 变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成一个 较大的正向电流。
ppt课件
（2）关闭时间toff ——从三极管输入关闭信号瞬间开始至
。 iC降低到0.1ICS所需的时间
2．减少三极管开关时间的办法：接加速电容。
ppt课件
17
10.2.3 加速电容的作 用
2．原理
（1）vI 正跳变瞬间，CS视作短路，可提供 一个很大的正向基极电流iB，使V迅速进 入饱和状态。随着CS的充电，iB逐渐减 小 并 趋 于 稳 定 （ 由 vI 、 -vGB 、 及 R1 、 R2 决定），此时CS相当于开路。
动画 三极管开关作用
结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。 截止时，相当于开关“断开”；等效电路： 饱和时，相当于开关“闭合”。等效电路：
ppt课件
14
10.2.2 三极管的开关特性
二、饱和状态的估算
定义： IBS基极临界饱和电流；
ICS 集电极饱和电流，ICS IBS；
VCES 集射极饱和管压降。
由电路得：
I CS
VG
VCES RC
VG RC
则 IBSICS/
若IBIBS ， 饱和；若0IBIBS ，放大；若IB0 ,截止。
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10.2.2 三极管的开关特性 三、三极管三种工作状态特点
工作状态 条件 偏置情况
6
2、PN结外加反向电压
电源的正极接N区，负极接P区，称为反向偏 置（简称反偏）
ppt课件Leabharlann 7ppt课件8
反向接法时，外电场与内电场的方向一
致，增强内电场的作用，空间电荷区的宽度
变宽，不利于多子的扩散运动。在回路中形
成一个由少数载流子漂移运动产生的反向电
流，反向电流的数值非常小，称为反向饱和
电流。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某种 特定的杂质，成为杂质半 导体。
1、Ｎ型半导体
如果在硅或锗的晶体中掺入少量的５价杂质元 素，则形成Ｎ型半导体。
(其中的５价杂质原子称为施主原子)
ppt课件
1
2．Ｐ型半导体
如果在硅或锗的晶体 中掺入少量的3价杂质 元素，则形成P型半导 体
（其中的3价杂质原子称为受主原子）
c、e间等 效电阻
很大，约为数百 千欧，相当于开
关断开
可变
ppt课件
很小，约为数百欧姆，相 当于开关闭合
16
10.2.2 三极管的开关特性
四、三极管开关时间 1．开关时间：三极管在截止状态和
饱和状态之间转换所需的时间。 包括： （1）开通时间ton ——从三极管输 入 开 通 信 号 瞬 间 开 始 至 iC 上 升 到 0.9ICS所需的时间。
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9
结论：当PN结处于正向偏置时，回路中 将产生一个较大的正向电流，PN结处于导 通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反 向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截 止状态。这就是PN结的单向导电性。
PN结具有单向导电性：正向偏置时， PN结导通；反向偏置时， PN结截止。
ppt课件
10
10.2 晶体管开关特性
（2）vI负跳变瞬间，vI 与发射极e相连， vCS反向加至发射结，由于CS的放 电作用，形成很大的反向基极电流，使V迅速截止。
可见，由于CS的存在，加快了晶体管的开关速度。
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10.2.1 二极管的开关特性 10.2.2 三极管的开关特性 10.2.3 加速电容的作用
ppt课件
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10.2 晶体管开关特性
在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为“开关”使用。 10.2.1 二极管的开关特性 一、二极管的开关作用
1．正向偏置时，
I 0,VR VI V,相D 当 V于I 开关闭合。