半导体物理与器件课件
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半导体物理与器件ppt课件
2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章
1
绪论
什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et
2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用
无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）
20
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
最新半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第4章-MOS场效应晶体管精品课件
第四页，共74页。
2.表面(biǎomiàn)势与表面(biǎomiàn)耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更 为(ɡènɡ wéi)详细的能带图。
第五页，共74页。
在下面(xià mian)的讨论中，定义与费米能级相对应的费
米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此(yīncǐ)，对于P型半 导体，
MOS 电容(diànróng)等效示意图 第十页，共74页。
在平带条件(tiáojiàn)下对应的总电容称为MOS 结构的平带 电容CFB
C FB
t OX
OX 0
1 2
OX S
LD
右图表示(biǎoshì)了 P型半导体MOS结构 的理想C-U曲线
线
第十一页，共74页。
MOS电容-电压(diànyā)曲
UDS较小时(xiǎoshí)，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
第二十四页，共74页。
2. 饱和(bǎohé)工作区
此时的电流-电压特性(tèxìng)对应与特性(tèxìng)图中UGS=5V曲线的 AB段。
导电沟道(ɡōu dào)随UDS的变化
ns
ni
exp
q(
s
T
F
ps
ni
exp
q(
F T
s
第七页，共74页。
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好(zhènghǎo)是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。
2.表面(biǎomiàn)势与表面(biǎomiàn)耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更 为(ɡènɡ wéi)详细的能带图。
第五页，共74页。
在下面(xià mian)的讨论中，定义与费米能级相对应的费
米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此(yīncǐ)，对于P型半 导体，
MOS 电容(diànróng)等效示意图 第十页，共74页。
在平带条件(tiáojiàn)下对应的总电容称为MOS 结构的平带 电容CFB
C FB
t OX
OX 0
1 2
OX S
LD
右图表示(biǎoshì)了 P型半导体MOS结构 的理想C-U曲线
线
第十一页，共74页。
MOS电容-电压(diànyā)曲
UDS较小时(xiǎoshí)，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
第二十四页，共74页。
2. 饱和(bǎohé)工作区
此时的电流-电压特性(tèxìng)对应与特性(tèxìng)图中UGS=5V曲线的 AB段。
导电沟道(ɡōu dào)随UDS的变化
ns
ni
exp
q(
s
T
F
ps
ni
exp
q(
F T
s
第七页，共74页。
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好(zhènghǎo)是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。
半导体器件物理PPT课件
解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
尼曼半导体物理与器件第一章课件
广义原胞
尼曼半导体物理与器件第一章
12
1.3.2 基本的晶体结构
立方晶系基本的晶体结构：
常见的三个基本的立方结构 （1）简单立方结构（sc） （2）体心立方结构（bcc） （3）面心立方结构（fcc）
尼曼半导体物理与器件第一章
13
➢简立方结构 Simple Cubic
每个顶角有一个原子
z
➢ 体心立方结构 Body Centered Cubic
• 原胞：可以复制得到整个晶格的最小单元。
单晶晶格二维表示
•晶格、原胞的选取都不是唯一的。
尼曼半导体物理与器件第一章
11
•晶胞和晶格的关系用矢量 a 、b 、c 表示，三个矢 量可不必互相垂直，长度可以不相等，基矢长度称 为晶格常数 。
•每个等效格点可用下述矢量表示
rpaqbsc
•其中，p、q、s为整数。
1. 离子晶体：离子键，例如NaCl晶体等； 2. 共价晶体：共价键，例如Si、Ge以及GaAs晶体等； 3. 金属晶体：金属键，例如Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、 Cu、Au、Ag等； 4. 分子晶体：范德华键，例如惰性元素氖、氩、氪、氙等 在低温下则形成分子晶体，HF分子之间在低温下也通过范 德华键形成分子晶体。
• 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
半 • 第七章 pn结
导 • 第八章 pn结二极管
体 器
• 第九章 金属半导体和半导体异质结
件 • 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
基 • 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入
础 • 第十二章 双极晶体管
• 第十三章 结型场效应晶体管 • 第十四章 光器件
1.11（a）-（c） 1.16 1.24（Si晶格常数5.43Å）
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
半导体器件物理 课件
2
16
4、本征载流子浓度
E EC E Ei n ni N C exp i p pi NV exp V kT kT Eg EC EV ni pi N C NV exp N C NV exp kT kT Eg 2 2 AT exp n p i i kT
Si
Si
Si Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si p
Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si Si
B Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
B Si Si
+
Si
Si
Si
p
Si
施主杂质 EC
受主杂质
+
-
EC
+
+
+
+
EC
0.016~0.065eV
0.04~0.05eV
EV
dN(x)/dx|x=xj = C
突变结近似--dN(x)/dx|x=xj =|C| ○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。 即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。 ★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。
线性缓变结
突变结变结近似
27
三、pn结基本物理特性
简并半导体
23
Part Ⅱ Bipolar Devices
物理半导体器件物理PPT课件
部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．
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x2
L2p
0
x xn
其在x=xn处的边界条件仍然为：
pn xn pn0
exp
eVa kT
另一个边界条件，假设在x=xn+Wn处为欧姆接触，该处表面 复合速度可认为无限大，即该处过剩载流子浓度为零。由此
得到另一个边界条件为：
pn x xn Wn pn0
少数载流子分布
少数载流子分布
假设：在中性区内电场近似为0（较小的电场即可产生 足够大的漂移电流，见例8.4 ）
无其他非平衡产生过程 稳态pn结的少子分布
Dn
2
n
x2
n E
n
x
g'
n n0
n
t
0 0
0
双极输运方程可以简化为：
P区内过剩少子的浓度分布满足
2 np
x2
np
L2n
0
则方程满足：
np x np0 pn x pn0
过剩载流子离空 间电荷区较远处
被复合为0
双极输运方程的通解为：
pn x pn x pn0 Aex/ Lp Bex/ Lp x xn
np x np x np0 Cex/ Ln Dex/ Ln x xp
为：
Jn
xp
eDn
d
np x
dx
x xp
利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：
Jn
xp
eDnnp0 Ln
exp
eVa kT
1
在pn结正偏条件下，上述电子扩散电流密度也是沿着x轴正方向的。因假 设电子电流和空穴电流在通过pn结势垒区时保持不变，则流过pn结的总 电流为：
J J p xn Jn
在PN结的扩散区和势垒区的任一截面上， Jn和Jp并不一定相等，但其总和保持相等。 两者之和为PN结的正向偏置电流J
P
Jn
-xp 0 xn
电
空
子势 穴 扩垒 扩
散区 散
区
区
x N
③正向偏置下的能带图
Ecp
P
E
p F
Evp
p`
n`
Ln W Lp
qVF
q(Vbi VR )
Ecn
E
n F
N
Evn
-xp
3
T 2
exp(eVa Eg ) kT
Eg Eg (0) T
J
3
T2
exp( eVa
Eg
(0) )
kT
J T1 T2
T1>T2 -Js
0
V
正向和反向电流密度均随温度上升而增加，正向电 压随温度上升而下降。
例如：对于硅p-n结：温度每升高10摄氏度，反向 电流可增加4倍，正向电压的温度系数约为-1.7mV/度 （参见例8.5）
物理意义小结：
PN结势垒区两侧少子的扩散电流分别为：
J p (x)
eDp pn0 Lp
exp
eVa kT
1
exp
xn Lp
x
x
xn
Jn (x)
eDnnp0 Ln
exp
eVa kT
1
exp
xp Ln
x
x xp
少子扩散电流呈指数下降，而流过PN结的总电流不变，
二者之差就是多子的电正偏条件导出的，但是
对于反偏情况也是适用的。此时Va取负值，当其达到零点 几伏时，从上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓
度基本为零，说明少子被抽取，而不是注入。
各区边界的少子由于注入和抽取，与体内热平衡少子
浓度相差较大，为过剩载流子，形成浓度梯度，其输运
复合第六章的双极输运规律
Ecp EFp
p` n`
P
e(Vbi VR )
eVR
Ecn
EFn
N
-xp
xn
0
pn
Pn结不具有统一的费米能级，pn结处于非热平衡态,PN结流过反向电流
正向偏置下的PN结
①势垒区变化
外加偏压几乎全部降落在势垒区
外电场与内建电场方向相反，势 垒区电场减弱，空间电荷减少，
势垒区减薄，势垒高度降低
②载流子运动的变化
J J J majority
total
min ority
短二极管特性
在前面的分析中，我们假设理想PN结二极管N区和P区的长度远大于少子的
扩散长度。实际PN结中，某个少子扩散区长度小于扩散长度L，如下图所
示
N型区的长度Wn<Lp，此时N型区中过剩少子空穴的稳态输运方程为：
2 pn pn
产生-复合电流 大注入
p-n结的小信号模型(8.3 )
扩散电阻 小信号导纳 等效电路
隧道二极管（8.5）
8.1 P-N结的电流
定性分析
零偏置电压下，pn结处
于热平衡状态
P
内建电场所产生的势垒
阻止了电子从n区向p区
扩散，同样阻止了空穴
从p区向n区的扩散
P
内建电场导致的载流子 漂移电流与扩散电流相 平衡，pn结净电流为0， pn处于热平衡状态
0 xn
p
n
Pn结不具有统一的费米能级，pn结处于非热平衡态,PN结流过正向电流
定量分析
理想PN结电流－电压特性方程的推导，做如下四个基本 假设： 耗尽层突变近似，空间电荷区边界存在突变，耗尽区 以外为电中性区。注入少数载流子做纯扩散运动； 载流子分布满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似； 满足小注入的条件和完全电离；注入的少子浓度比平 衡多子浓度小得多 通过PN结的总电流是一个恒定的常数； 电子电流和空穴电流在PN结中各处是一个连续函数； 电子电流和空穴电流在PN结耗尽区中各处保持为恒定 常数。不考虑耗尽区的产生和复合效应
JTotal J p (xp ) Jn (xp )
J p xp J p (xn )
JTotal J p (xn ) Jn (xp )
N区边界少子 P区边界少子
的扩散电流
的扩散电流
因耗尽区靠近N型区一侧边界处少子空穴的扩散电流密度为：
Jp
xn
eDp
dpn x
dx
x xn
在pn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：
理想PN结电流电压特性的分析 单向导电性（整流特性）
J
Js
exp(
eVa kT
)
1
加正向电压 >0.026V
exp(eVa ) 1 kT
J
Js
exp( eVa kT
)
J
Js
exp(
qVa kT
)
1
J
加反向 电压
e Va kT
J
Js
( qDnnp0 Ln
qDp pn0 Lp
)
-Js与外加电压无关，Js称为反
非平衡载流子电子向P区内边扩散， 边复合，经过若干扩散长度后，
全部复合
n,p
np pn
np
pn0
0
-xp 0 xn
x
电
空
子势 穴
P扩 垒 扩 N
散区 散
区
区
在一定的正向偏压下，电子从N区向P区 扩散，形成稳定的电子扩散电流Jn，空穴从P 区向N区扩散形成稳定的空穴扩散电流Jp。
J=Jp+Jn Jp
L2n Dn n0
x xp
边界条件：pn
xn
pn0
exp
eVa kT
P区少子电子的扩散长度 N区内过剩少子的浓度分布满足
2 pn
x2
pn
L2p
0
L2p Dp p0
x xn
N区少子空穴的扩散长度
np
xp
np0
exp
eVa kT
由长pn结假设，即 Wn Ln Wp Lp
Jp
xn
eDp
d
pn x
dx
x xn
利用求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的 扩散电流密度为：
J
p
xn
eDp pn0 Lp
exp
eVa kT
1
在pn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x轴正向的，即从p型区流向N
型区。同理可以计算出势垒区靠近P型区一侧边界处电子的扩散电流密度
以P区情况为例，在远离结区的P区，PN结的电流为多
子空穴电流，该电流为漂移电流，该电流作用如下：
它既提供向n区中注入的少子空穴 还提供与N区中注入过来的过剩少子电子相复合的空穴
上图为流过PN结的正向电流中，多子电流与少子电流成分的相互关系
基于双极输运特性，多子的电流完全可以用各区的少子电流进行分析：
推导理想PN结电流－电压特性方程时所用到的各 种物理量符号如表所示
载流子浓度边界条件
np0
ni2 Na
nn0 Nd
Vbi
VT
ln
Na Nd ni2
ni2 Na Nd
exp
eVbi kT
np0
nn0
exp
eVbi kT
在耗尽区边界两端处，热平衡时P区
内少子电子浓度与N区内多子电子浓度关
Ln
Ln Na
改变器件的掺杂可以改变流过二极管电子电流密度和 空穴电流密度的相对大小（参见例8.3）
温度对二极管电流密度的影响
反向电流：
Js
eDnnp0 Ln
eDp pn0 Lp
e(
Dn / n
Na
Dp /
Nd
p
)ni2
T
3 2
exp(
Eg
)
kT
正向电流：
J
Js
exp( eVa kT