第二章pn结
第2章 PN结
T 300K
对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V
对于硅PN结，通常可取 VD=0.6—0.7V
23
2.1.2 PN结的形成过程
扩散法制造PN结过程
N P
N-Si P-Si
杂 质 浓 度
ND -NA
PN结两边的杂质浓度是非均匀的 常按照一定的函数规律而变化。
xj
x
在一块N型硅片上用化学方法涂敷一层含有Al2O3的乙醇 溶液，在红外线灯下干燥后，置于1250℃的扩散炉中进行高 温处理若干小时，然后缓慢降温。 24
35
2.1.3平衡PN结的载流子浓度分布
平衡PN结势垒区两侧载流子浓度 Eip Ein qVD nn 0 exp P区电子浓度 n p 0 nn 0 exp kT kT
qVD N区空穴浓度 pn 0 p p 0 exp kT
空间电荷不能移动，也不能传导电流。
10
一、空间电荷区的形成
2.1.1 平衡PN结能带图
内建电场E内： 空间电荷所产生的电场， 此电场不是由外部因素引起的，而是由PN结内部 载流子运动形成的，由N区指向P区。
PN结的内建电势(接触电势)VD 由内建电场所导致的N区和P区的电位差。
11
平衡PN结能带图
ND N A
杂 质 浓 度
2.1.2 PN结的形成过程
杂 质 浓 度
ND -NA
xj
x
0
x
xj
dN ( x) a j dx
x x j
ND N A a j x x j
x
26
缓变结
A．线性缓变结近似
第二章 PN结
半导体特征长度，德拜长度
LD =
(19)
ε s kT
q NB
2
=
qN B β
εs
能有效屏蔽外场的电 荷分布范围宽度
(20)
Si的德拜长度与掺杂浓度的关系
Si单边突变结耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容 与掺杂浓度的关系。
W =
2ε s (Vbi ± V ) qN B
(21)
6) 耗尽层电容： 单位面积的耗尽层电容定义为： 单边突变结，单位面积电容：
5) 能带，载流子浓度： 内建势与载流子浓度间的关系：
qVbi = E g − (qVn + qV p )
NC NV N C NV ) − [kT ln( ) + kT ln( )] = kT ln( 2 nn 0 Pp 0 ni nn0 p p0 N AND = kT ln( ) ≈ kT ln( ) 2 2 ni ni
x V ( x) = Em ( x − ) 2W
2
0 ≤ x ≤ xn
内建势
V bi = V ( x n ) − V ( − x p )
电场对应的面积 （１）
1 1 Vbi = E mW ≡ E m ( x n + x p ) 2 2
| E m |=
(16)
qN D x n
εs
=
qN A x p
εs
C ≡ dQ / dV
εs d (qN BW ) = C ≡ dQ / dV = 2 d [(qN B / 2ε s )W ] W
= qε s N B (Vbi ± V − 2kT / q ) −1 / 2 2
1/C2~V 直线， 斜率：衬底杂质浓度， 1/C2=0时截距：内建势。
PN结
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引
4-1 氧化工艺：
言
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用；
二、电场和电势分布：
1. 内建电势差（势垒）：
EC
漂移
扩散
EFp
ห้องสมุดไป่ตู้
Ei
EV
扩散
q 0 E C
EV
q 0 k T ln
EFn Ei
Na Nd ni2
( 2 1 1) ( 2 1 2)
两种证明方法：
（1）费米能级法：
漂移
Na Nd 0 VT ln ni2
q 0 ( Ei E Fp ) ( E Fn Ei ) , ( 2 1 3) Ei E Fp k T ln E Fn Ei k T ln p0 N k T ln a , ( 2 1 4) ni ni n0 N k T ln d , ( 2 1 5) ni ni
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第二章 PN结
2.1 热平衡（无偏压） PN结
二、电场和电势分布：
1. 内建电势差（势垒）：
（2）静电势法： 取费米势为电势能的零点。
P型电 中性区 -xp 边界区
qNd
-qNa
xn
N型电 中性区
x
p0 ni exp / VT (1 10 10 )
在《半导体器件指南》一书中，定义了67种主要的半导体器 件及其相关的110多个变种。然而，所有这些器件都只由以 下的少数几种器件单元组成。
最新第二章-PN结
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。
《半导体器件》中国计量学院光电学院
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。
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
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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。
关键在于耗尽层的存在
《半导体器件》中国计量学院光电学院
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
第2章_2_PN结
2.反向偏压作用 2.反向偏压作用
外加偏压几乎全落在空 间电荷区上. 间电荷区上.方向与空间 电荷区内建电场一致, 电荷区内建电场一致,使 空间电荷区变宽，相应 势垒高度也由qV 势垒高度也由qVD增至 q(VD+V)。 +V)。 由于电场增强，加强了 载流子的漂移运动，打 破了原先已达成的扩散 电流和漂移运动之间的 平衡。
2.3.4 pn结电容 pn结电容
PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN 结的高频应用。
1. pn结势垒电容 pn结势垒电容
（1）pn结势垒电容定性分析 pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒 区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充 放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容， 记为C 记为CT。势垒电容大小与结上所加直流偏压有关， 是一个可变电容。 dQ CT = dV
由于少子浓度很低，扩散长度为一定值， 所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度 较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少 子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度 梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随 外加电压的增加电流趋于饱和。
I = A(
qDnnp0 Ln
qDPP 0 kT n + )(e −1) = IS (ek pn结饱和电流 Np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和 分别为P区和N 少子空穴浓度。 Ln 和 Lp分别为电子和空穴的扩散长度。
Ln = Dnτ n
PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子， PN结在平衡状态下，在N 空穴是少子，在P 空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子 是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N 存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩 散，N型区的电子向P型区扩散。P 散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N 剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区 边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带 正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动， 它们就在P 它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空 间电荷区。
第二章PN结资料
2.4 空间电荷区的复合电流和产生电流
• 低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 • 偏压升高： 扩散电流占优势 • 更高偏压： 串联电阻的影响
I （A）
103
串联电阻
实验数据 104
105
106
107
斜率 q KT
108
109
斜率 q
2 KT
1 0 10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
• 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。
3.耗尽层 -突变结
• 突变结势垒中的电场、电势分布 • 耗尽层近似：在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度
可以忽略，这称为耗尽近似。 • 杂质完全电离：
• 在N侧和P侧泊松方程可以分别简化为：
d dx22 qN D0xxn d dx22 qN A0xxn
0
•
边界条件： pnxpn0 pn0expV V T1
xW n xxn
pnxpn0AexpL xpBexpL xp
A pn0 exp k q 0 V T 1 exp L xn p pn0 exp V V T 1 exp L xn p B0
p n x p n 0 p n 0 e x p V V T 1 e x p x n L p x x x n
I0expV V T1
Shockley方程
•
正向偏压：
I
I0
exp
V VT
• 反向偏压： I I 0 • I0称为饱和电流
• 正向偏压情况下的PN结
载流子浓度
P型
np pn0
N型 pn pn0
空间电荷层
xp 0 xn
x
（a）少数载流子分布
半导体器件物理(第二章-PN结)
n(x) n n 0
p p0
p(x)
n p0 xP
pn0 xN
空间电荷区中载流子浓度分 布是按指数规律变化的，变化 非常显著，绝大部分区域的载 流子浓度远小于两侧的中性区 域，即空间电荷区的载流子基
x 本已被耗尽，所以空间电荷区
又叫耗尽层。
2.2 PN结的直流特性
2.2.1 PN结的正向特性
2.1 平衡PN结
2.1.3 PN结的接触电势差与载流子分布
PN结的接触电势差
U (x)
UD
P区
N区
达到平衡状态时，如果P
区和N区的电势差为UD，则 两个区的电势能变化量为
qUD，其中UD称为PN结的接 触电势差，qUD就是势垒高 度。
xP
0 xN
x
UD kqTlnND niN2 A
2.1 平衡PN结
np(xP)np0expqk(U T) pn(xN)pn0expqk(U T)
我们看到，正向偏置的PN结边界处的少子浓度，等 于体内平衡少子浓度乘上一个指数因子。也就是说，势 垒区边界积累的少数载流子浓度随外加电压按指数规律 增加。
2.2 PN结的直流特性 3.PN结正向电流电压关系
空穴扩散电流密度
J Jp
n n(xP )
p
p(xN )
pn0
Ln
0 0 Lp
x
J Jn Jp Jn
0
xP xN
x
非平衡少子注入后，在 边界附近积累，形成从边 界到内部浓度梯度，并向 体内扩散，同时进行复合， 最终形成一个稳态分布。
扩散区中的少子扩散电 流都通过复合转换为多子 漂移电流。
2.2 PN结的直流特性
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
第二章 PN结
由于 p po
ni2 ni2 N A ，pno ，故得： nno N D
kT N A N D Vbi ln q ni2
由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。 在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的 约为 0.35V 。最后可得： 1
xd
也
3. 平衡的p-n结能带与载流子分布
1）平衡PN结能带
自建场和自建势
P区 N区
NApp0
NA-
ND+
nn0
x
xn
xp
dx C
dp J p qD p q p p 0 dx
dE f dx 0
1）p区导带底比n区高qVbi， P区价带顶比N区高qVbi 2）禁带宽度Eg保持处处相等 3）势垒区内能带弯曲 4）有统一的费米能级
可见：
空穴扩散：P 区 电子扩散：P 区
p po ni pno nno ni n po
N区 N区
扩散电流方向为：P 区
N区
P区留下 N A ，N区留下 N D ，形成 空间电荷区。空间电 荷区产生的电场称为 内建电场，方向为由N 区指向P 区。电场 的存在会引起漂移电流，方向为由N 区指向P 区。 扩散电流： P 区 漂移电流： P 区 N区 N区
0 max
q
s
xn N D
q
s
s
xp NA
由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度：
xn
s
qN D
max ,
xp
qN A
002第二章 PN结
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。
给出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。
解：在n x x =处 ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn in n FP i i nn exp exp()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 而()()()000n n n n nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+∆≈∆=+∆=+ （n n n p ∆=∆）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=∆+⇒=∆+2001TV V n i n n n p n p e n n ⎛⎫⇒+=⎪⎝⎭ T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为一般结果) 小注入：（0n n n p <<∆）T T V V n V V n i n e p e n n p 002== ()002n n i p n n =大注入： 0n n n p >>∆ 且 n n p p ∆= 所以 TV V inen p 22=或 TV Vi n en p 2=2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程20lni ad T p n n N N V =-=ψψψ。
解：净电子电流为()n nn nI qA D n xμε∂=+∂ 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dxψε=-所以nn d n n D dx x ψμ∂=∂，又因为n T nDV μ=（爱因斯坦关系） 所以dn nV d T=ψ， 从n p x x →-作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =∆。
第2章 P-N结
xj 0 x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
图 2.2 突变结与线性缓变结
第二章 P-N结
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
n
E
扩散 q 0
p
EC
n
漂移
EC EF EV
p
扩散 漂移
EF EV
n
EC EF Ei EV
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
8. 热平衡PN结能带图。 画能带图的依据： (1) 费米能级恒定。于是N侧中性区费米能级EFn相 对P侧中性区费米能级向下移动EFn-EFp。 (2) N侧各个能级（EC、EV及真空能级E0）与EFn平 行地向下移动EFn-EFp。 (3) 在空间电荷区，真空能级连续。除费米能级 外，各个能级与真空能级平行。
2.1 热平衡PN结
小结
6. 势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒qψ 0，P区 空穴进入N区也需要克服势垒qψ 0。于是空间电荷 区又叫做势垒区。
7.
中性区：PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。 在杂质饱和电离情况下，中性区自由载流子浓度 与杂质浓度相等，不存在电场。
2.1 热平衡PN结
小结
Nd n VT ln ni
（2-5）
P型中性区，令（2-4）中Nd=n=0,代到（2-2b）, P型中性区的电势 Na
p VT ln
ni
（2-6）
N型中性区与P型中性区之间的电势差为
0 n p VT ln
Nd Na ni2
（2-7）
2.1 热平衡PN结
小结
方法二:(费米能级恒定) 费米能级恒定，热平衡PN结具有统一费米能级。 形成PN结，费米能级恒定要求N区费米能级相对P区 费米能级下降，则原费米电势差即PN结中N型与P型 中性区间电势差 0 。
第二章PN结（ＰＤＦ）
二、 PN结加工方式与杂质分布 1. 突变结
P区
N区
z 单边突变结 P＋N结 N＋P结
杂
质 浓
NA
度
ND
xj
x
5
2.1平衡PN结
2.1.1、PN结结构与杂质分布
二、 PN结加工方式与杂质分布
N
P
扩散法制造PN结过程
杂
质 浓
ND -NA
度
N-Si
P-Si
xj
x
缓变结 6
2.1平衡PN结 2.1.1、PN结结构与杂质分布
23
2.2 理想PN结的伏安特性 2.2.3 理想PN结的伏安特性
一、理想PN结模型 A. 小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远低 于平衡多子浓度（即掺杂浓度）。 B. 外加电压全部降落在势垒区。势垒区以外为电 中性区。 C. 忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势垒 区的电流密度不变。 D. 忽略半导体表面对电流的影响。 E. 只考虑一维情况。
nP0
( ) ( ) ΔnP xP = nP0 eqV / KT −1 ( ) ( ) ΔpN xN = pN 0 eqV / KT −1
xP xN
P区 nP(xP)
N区 空 间 电 荷 区
pN(xN)
xP xN
27
2.2 理想PN结的伏安特性
2.2.3 理想PN结的伏安特性
二、V-I 特性方程 1、载流子浓度分布
二、V-I 特性方程
2、非平衡PN结V-I特性———肖克莱方程
PN结N区边界处少子扩散电流密度
由：j p
=
q
⋅
Δp
(0)
⎛ ⎜⎜⎝
Dp Lp
⎞ ⎟⎟⎠
半导体物理 第二章 PN结 图文
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第二章 PN结
引言
4-4 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。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
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第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （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。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触）所形成的结构.任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction），有时也叫做接触(contact）。
2。
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
除金属－半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。
3。
按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。
空间电荷区:PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。
PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示).7。
费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压:P负N正9。
空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区）。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
10。
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子：能够导电的自由粒子。
第二章 pn结资料
q V x(x x ) n ( x ) n ( xn ) [ e x p ( )1 ] e x p () p p p p 0 n p 0 k T L n
若以 x p 为坐标原点，则非平衡电子浓度分布：
非平衡态载流子浓度分布图
突变pn结的电场、电势分布 1.电荷密度分布 q N x x 0 A p ( x ) N 0 xx q D n 0 x x ， xx p n
1 2 ( N N ) 2 W x x ( s A D V ) n p D q N N D A
Na xn W Na Nd Nd xp W Na Nd
缓变pn结的电场、电位分布 1. 电荷密度分布
a ND( xm x ) NA( m ) 2 2 xm
n p
q N N A D
m
而且可得：
Nx Nx D n A p
n区耗尽区与p区耗尽区中电荷量的大小相等。掺杂浓度越 高，耗尽区越薄。
n d ( x) E ( x) VD V E ( x)dx dx xp
x
1 VD V E0W 2
E0
q
0
N D xn
突变pn结电势分布
若忽略空间电荷区以外的电压降，pn结空间电荷区的 总电势差为：
Vp n
q 2 VD V ( xn ) ( x p ) ( N D xn N A x2 p) 2 s
电势分布 (x) 乘以电子电荷-q就得到了电子的电势能 q(x)
电子电势能分布
q V n ( x ) n x p ( ) p p 0e k T
空间电荷区外侧的载流子浓度分布（假设pn结杂质分布均
第2章 PN结
－ － － － － －
+ + +
P
IS
内电场 外电场
N
–
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
3.了解PN结的电流方程
PN结所加端电压 u 与流过它的电流 i 的关系为：
PN结的形成：
浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子) 内 电
场
促使少子漂移 阻 止 多 子 扩 散
PN结的实质：PN结=空间电荷区=耗尽层
2.2
PN结的单向导电性
P接正、N接负
1. PN结加正向电压（正向偏置）
PN 结变窄
－－－ － － － + + + + + + － － － － － －I + + + + + + －－－ － － － + + + + + +
IS IS
约为
约为
(109 ~ 1016 ) (106 ~ 108 )
A A
I S 随温度的升高而增大，还与PN结面积
成正比的增大。
I I S (e
V 为正值，且
V VT
1)
V 100 mV
）时
V VT （或
V VT
I ISe
V 为负值，且
V VT
时
பைடு நூலகம்
I I S
4.PN结的伏安特性
第二章 PN结
PN结的反向抽取作用
势垒区电场增强漂移 > 扩散N区一侧 xn 处的空 穴被强场扫向 P 区，而P 区 一侧 x p 处的电子则被扫 向N区。
np0
qVD nn 0 exp kT
－xp处少子（电 子）浓度：
n x p nn 0e n p 0e
s
n
其中NB是轻掺杂的基体浓度(意 指p+-n结的ND)．电场在x＝W处 降为零，因此
0
NA N D
xn W
x
E
W
Em
E ( x) qNB
qNBW
0
m
x
s
s
(W x) Em (1
x ) W
Vbi （ d）
Vbi
0
W
x
如图(c)所示
（a）在热平衡时，单边突变结 （N A N D） （b）空间电荷分布 （c）电场分布 （d)随距离改变的电势分布，其中Vbi 为内建电势
nx ni e
px ni e
平衡PN结势垒区两侧电子浓度之间的关系
热平衡时，中性区的多数载流子浓度大致与杂质浓度相
等，用nn0和np0分别表示在n和p侧的平衡电子浓度．则：
kT N A N D kT nn 0 p p 0 kT n n 0 VD ln ln ln 2 2 q ni q ni q n p 0
np0 pp0 ni2
所以 n p 0
qVD 同理 nn 0 exp kT
qVD pn 0 p p 0 exp kT
可见，耗尽区边界上，电子和空穴浓度与热平衡时的 V D 有关，即与结上的电势有关。
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第二章 PN结
填空题
1、若某突变PN结的P型区的掺杂浓度为N A=×1016cm-3，则室温下该区的平衡多子浓度p p0与平衡少子浓度n p0分别为（）和
（）。
2、在PN结的空间电荷区中，P区一侧带（）电荷，N区一侧带（）电荷。
内建电场的方向是从（）区指向（）区。
3、当采用耗尽近似时，N型耗尽区中的泊松方程为（）。
由此方程可以看出，掺杂浓度越高，则内建电场的斜率越（）。
4、PN结的掺杂浓度越高，则势垒区的长度就越（），内建电场的最大值就越（），内建电势V bi就越（），反向饱和电流I0就越（），势垒电容C
就越（），雪崩击穿电压就越（）。
T
5、硅突变结内建电势V bi可表为（），在室温下的典型值为（）伏特。
6、当对PN结外加正向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
7、当对PN结外加反向电压时，其势垒区宽度会（），势垒区的势垒高度会（）。
8、在P型中性区与耗尽区的边界上，少子浓度n p与外加电压V之间的关系可表示为（）。
若P型区的掺杂浓度N A=×1017cm-3，外加电压V= ，则P型区与耗尽区边界上的少子浓度n p为（）。
9、当对PN结外加正向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）；当对PN结外加反向电压时，中性区与耗尽区边界上的少子浓度比该处的平衡少子浓度（）。
10、PN结的正向电流由（）电流、（）电流和（）电流三部分所组成。
11、PN结的正向电流很大，是因为正向电流的电荷来源是（）；PN结的反向电流很小，是因为反向电流的电荷来源是（）。
12、当对PN结外加正向电压时，由N区注入P区的非平衡电子一边向前扩散，一边（）。
每经过一个扩散长度的距离，非平衡电子浓度降到原来的（）。
13、PN结扩散电流的表达式为（）。
这个表达式在正向电压下可简化为（），在反向电压下可简化为（）。
14、在PN结的正向电流中，当电压较低时，以（）电流为主；当电压较高时，以（）电流为主。
15、薄基区二极管是指PN结的某一个或两个中性区的长度小于
（）。
在薄基区二极管中，少子浓度的分布近似为（）。
16、小注入条件是指注入某区边界附近的（）浓度远小于该区的（）浓度，因此该区总的多子浓度中的
（）多子浓度可以忽略。
17、大注入条件是指注入某区边界附近的（）浓度远大于该区的（）浓度，因此该区总的多子浓度中的（）多子浓度可以忽略。
18、势垒电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。
PN结的掺杂浓度越高，则势垒电容就越（）；外加反向电压越高，则势垒电容就越（）。
19、扩散电容反映的是PN结的（）电荷随外加电压的变化率。
正向电流越大，则扩散电容就越（）；少子寿命越长，则扩散电容就越（）。
20、在PN结开关管中，在外加电压从正向变为反向后的一段时间内，会出现一个较大的反向电流。
引起这个电流的原因是存储在（）区中的
（）电荷。
这个电荷的消失途径有两条，即
（）和（）。
21、从器件本身的角度，提高开关管的开关速度的主要措施是
（）和
（）。
22、PN结的击穿有三种机理，它们分别是（）、
（）和（）。
23、PN结的掺杂浓度越高，雪崩击穿电压就越（）；结深越浅，雪崩击穿电压就越（）。
24、雪崩击穿和齐纳击穿的条件分别是（）和
（）。
问答与计算题
1、简要叙述PN结空间电荷区的形成过程。
2、什么叫耗尽近似什么叫中性近似
3、什么叫突变结什么叫单边突变结什么叫线性缓变结分别画出上述各种PN结的杂质浓度分布图、内建电场分布图和外加正向电压及反向电压时的少子浓度分布图。
4、PN结势垒区的宽度与哪些因素有关
5、写出PN结反向饱和电流I0的表达式，并对影响I0的各种因素进行讨论。
6、PN结的正向电流由正向扩散电流和势垒区复合电流组成。
试分别说明这两种电流随外加正向电压的增加而变化的规律。
当正向电压较小时以什么电流为主当正向电压较大时以什么电流为主
7、什么是小注入条件什么是大注入条件写出小注入条件和大注入条件下的结定律，并讨论两种情况下中性区边界上载流子浓度随外加电压的变化规律。
8、在工程实际中，一般采用什么方法来计算PN结的雪崩击穿电压
9、简要叙述PN结势垒电容和扩散电容的形成机理及特点。
10、当把PN结作为开关使用时，在直流特性和瞬态特性这两方面，PN结与理想开关相比有哪些差距引起PN结反向恢复过程的主要原因是什么
11、某突变PN结的N D=×1015cm-3, N A=×1018cm-3，试问J dp是J dn的多少倍
12、已知某PN结的反向饱和电流为I o =10 -12A，试分别求当外加正向电压和（）反向电压时的PN结扩散电流。
13、某硅单边突变结的雪崩击穿临界电场E C=×105Vcm-1，开始发生雪崩击穿时的耗尽区宽度x dB= μm，求该PN结的雪崩击穿电压V B。
若对该PN结外加|V|=的反向电压，则其耗尽区宽度为多少
14、某突变结的内建电势V bi= ，当外加电压V = 时的势垒电容与扩散电容分别是2pF和2×10-4pF，试求当外加电压V = 时的势垒电容与扩散电容分别是多少
15、某硅突变结的n A= 1× 1016cm-3，n D= 5× 1016cm-3，试计算平衡状态下的
(1) 内建电势V bi；
(2) P区耗尽区宽度x p、N区耗尽区宽度x n及总的耗尽区宽度x D；
(3) 最大电场强度εmax 。
16、某单边突变结在平衡状态时的势垒区宽度为x D0 ，试求外加反向电压应为内建电势V bi的多少倍时，才能使势垒区宽度分别达到2x d0和3x d0 。
17、一块同一导电类型的半导体，当掺杂浓度不均匀时，也会存在内建电场和内建电势。
设一块N型硅的两个相邻区域的施主杂质浓度分别为n D1和n D2 ，试推导出这两个区域之间的内建电势公式。
如果n D1 = 1× 1020cm-3，
n
= 1× 1016cm-3，则室温下内建电势为多少
D2
18、试推导出杂质浓度为指数分布N = N0exp(-x/l)的中性区的内建电场表达式。
若某具有这种杂质浓度分布的硅的表面杂质浓度为 1018cm-3，λ = μm，试求其内建电场的大小。
再将此电场与某突变PN结的耗尽区中最大电场作比较，该突变PN结的n A= 1018cm-3，n D= 1015cm-3。
19、试证明在一个P区电导率σp远大于N区电导率σn的PN结中，当外加正向电压时空穴电流远大于电子电流。
20、某P+N-N+ 结的雪崩击穿临界电场εc为32V/μm，当N- 区的长度足够长时，击穿电压V B为144V。
试求当N- 区的长度缩短为3μm时的击穿电压为多少
21、已知某硅单边突变结的内建电势为，当外加反向电压为时测得势垒电容为10pF，试计算当外加正向电压时的势垒电容。
22、某PN结当正向电流为10mA时，室温下的小信号电导与小信号电阻各为多少当温度为100°C时它们的值又为多少
23、某单边突变P+N结的N区杂质浓度n D = 1016cm-3，N区少子扩散长度L p= 10μm，结面积A = ，外加的正向电压。
试计算当N区厚度分别为100μm和3μm时存储在N区中的非平衡少子的数目。