7第二章PN结

Lp Dp p 3.6 10 3 cm Ln Dn n 2.2 10 3 cm pn 0 1.5 1010 n2 i 2.25 10 4 cm 3 16 ND 10
2
np 0
n NA
2 i
1.5 10
10
2
5 10
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• 当PN结加上正向偏压时，在结边缘np>np0，pn>pn0，这种现象称为载 流子正向注入；
• 当PN结加上反向偏压时，在结边缘np<np0，pn<pn0，这种现象称为载
流子正向注入；
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2.3
理想pn结二极管的直流电流电压特性
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反向偏压时：
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2.2.2 少数载流子的注入与输运 • 1.扩散近似 • 正向偏压下，注入到N(P)区的空穴(电子)，对于N(P)区来说是少数载 流子，所以这种注入现象又称为少数载流子的注入。 • 注入P+N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布
xn xn qV V pn0 exp A pn0 exp 1 exp 1 exp L L k T V 0 p T p B 0
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• 正向偏压：势垒区宽度减小，高度降低；扩散大于漂移， 向p区、n区注入少子。 • 反向偏压：势垒区宽度增加，高度增高；漂移大于扩散， 从p区、n区抽取少子。
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2. 外加直流电压下，pn结的能带图
正向偏压时：
n p EF EF qV
5
V pn 0 exp 1 V T
x xn
x xn
I p xn
qADp Lp
x xn
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I p xn qADp Lp V pn 0 exp 1 V T


qADn qADp V np0 p n 0 exp 1 L L V n p T
Shockley方程
V V T
• 正向偏压： I I 0 exp • 反向偏压： I I0 • I0称为饱和电流
x xn
I n xp


V qADn np 0 exp 1 Ln V T
x x
p
I I p xn I n xn I p xn I n xp V I 0 exp 1 V T
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• 2.空间电荷区边界的少数载流子浓度
0 pp 0 nn 0 k 0 T pp 0 nn 0 nn 0 ln V ln V ln T T q n2 n2 np 0 i i
p p 0 p n 0 exp 0 VT
n n 0 n p 0 exp 0 VT
理想pn结模型： • （1）忽略中性区的体电阻和接触电阻，外加电压全部降落在耗尽区 上。 • （2）半导体均匀掺杂。 • （3）小注入：即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小很 多。 • （4）空间电荷区内部不存在复合电流和产生电流。 • （5）半导体非简并。
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2 i 2
np n
• 当n=p时，U最大：
V V 2 np n2 exp n p n exp i i VT 2VT
Umax
V ni exp V 1 V n T i exp 2 V V 20 T 20 exp 1 2VT
xn x V pn x pn 0 pn 0 exp 1 exp L V T p xn x V pn x pn 0 exp 1 exp p L n0 V T p
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•
正向偏压情况下的PN结
载流子浓度
P
型
N pn pn 0
型
少数载流子电流
I I p In Ip
In
np
pn 0
空间电荷层
In
Ip
In
Ip xp 0 xn
x
xp
0
xn
x
xp 0 xn
x
x
（a）少数载流子分布
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
•
0 边界条件： p x p V n n0 pn 0 exp V 1 T
x Wn x xn
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Байду номын сангаасx x pn x pn 0 A exp B exp L L p p
计算理想pn结模型的电流电压方程式的步骤
• 1、以非平衡少数载流子浓度为边界条件，解扩散区中载流子连续 性方程式，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布； • 2、将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程→扩散流密度→ 少数载流子的电流密度； • 3、将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想pn结模型的电流 电压方程式。
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• 在N型中性区，稳态时
p n 0 ，同时E=0，G=0： t
p 2p p E p Dp 2 p E pp G 0 t x x x p
d2 p pn pn 0 Dp 2 0 dx p
L p Dp p
• 由于外加正向偏压的作用使非
平衡载流子进入半导体的过程 称为非平衡载流子的电注入。
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当pn结加上反向偏压V时： • 势垒区：宽度增加，高度增高； • 载流子：漂移大于扩散。
2 0 VR W qN D
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Dp
Dn e E g L N L N p d n a
n
KT
np0 pn0 （4） I qA Lp Ln 0
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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
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2.2 加偏压的PN结
• 对于平衡的pn结，存在着一定宽度和势垒高度的势垒区，其中 相应出现了内建电场； • 每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，没有净电流通 过pn结，EF处处相等。
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2.2.1 PN结的单向导电性 1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 • 正向偏压：势垒区宽度减小，高度降低；载流子的扩散运动大于漂移 运动。
• 更高偏压： 串联电阻的影响
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2.4.1 正偏复合电流
• 在正向偏压下，从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴，在势垒 区内复合了一部分，构成了另一股正向电流，称为势垒区复合电流。
• 假定复合中心与本征费米能级重合，令rp=rn=r，则：
1 U 0 np n2 1 np n i 1 i E Ei 0 n p 2n i 0 n p 2n i n p 2n i ch t k T 0
• 加上偏下V，空间电荷区电势差变成 0 V
V nn np exp 0 V T 0 0 V 0 V nn 0 np 0 exp n exp n exp n n exp p p0 p p0 VT VT VT VT nn nn 0 V p p exp n n0 VT
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W
I R qA Udx
0
V qAni W exp 2 0 2 V T
qADn qADp V Id np 0 pn 0 exp 1 L L V n p T qADp V qADp p V qAL2P V qALp n2 V i pn 0 exp p exp p exp exp n0 n0 Lp Lp p p nn 0 VT VT Lp p VT VT
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45cm 3
qADn qADp 13 2.25 10 4 4.7 45 19 I0 np 0 pn 0 1.6 10 0.01 1.3 10 13 A 3 3 L Lp 2.2 10 3.6 10 n I k 0T I 10 3 V ln 1 VT ln 1 26 ln 592mV 13 q I I 1 . 3 10 0 0
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• 反向偏压情况下的的PN结
PN
（a）少数载流子分布
（b）少数载流子电流
（c）电子电流和空穴电流
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例2-2
Dp Dn
k 0T p VT p 0.026 500 13cm 2 / s q k 0T n VT n 0.026 180 4.7cm 2 / s q
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• 对于N侧：
pn 2pn pn pn 0 Dp t x2 p I p qADp dpn dx
• 对于P侧：
n p t Dn 2np x 2 dnp dx np np 0 n
I n qADn
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扩散长度
d2 pn p n 0 p n p n 0 d2 p pn pn 0 d2p pn pn 0 0 2 0 0 2 2 2 2 dx Dp p dx Lp dx Lp
• 解： pn x pn0
x x A exp B exp L L p p
J p qDp Ip qADp Lp
x xn
xn x dpn x qDp V pn 0 exp 1 exp L dx Lp V T p xn x V pn 0 exp 1 exp L V T p
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• PN结饱和电流的几种表达形式：
（1） I 0
qADppn0 Lp

qADnnp0 Ln
（2）
Dp Dn n 2 I 0 qA L N i L N p d n a
（3） I 0 qANC N V
p