PN结与二极管原理解析

2、外加多子正向注入效应
非平衡不同区的少子浓度分布
比较：平衡PN结
电阻很小
两边的多子易 通过势垒区
?e
空穴
?
p
电子
?e
电子
?
空穴
扩散长度
注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方 式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散， 同时进行复合，最终形成一个稳态分布。
3、正向扩散区边界少子浓度和分 布
n0
?
Nc
?? exp?
?
?Ec ? EFn
kT
??
? ?
?
n
i
?? exp?
?
?EFn ?
kT
Ei
??
? ?
?
ND
EFn
?
Ei
?
KT ln
ND ni
For p-type region
? ? ? ? ??
p0 ? Nv exp ? ??
EFp ? Ev kT
?
??
? ? ni exp ?
??
??
Ei ? EFp kT
P-N 结
P-N junction
2.1 平衡PN结 2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布 2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图 2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布 2.2 PN结的直流特性 2.2.1 PN结的正向特性 2.2.2 PN结的反向特性 2.2.3 PN结的伏安特性 2.2.4 影响PN结伏安特性的因素 2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度 2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度 2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度 2.4 PN结的击穿特性 2.4.1 击穿机理 2.4.2 雪崩击穿电压 2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素
① P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度； ② P型区和N型区电阻率足够低，外加电压全 部降落在势垒区，势垒区外没有电场； ③ 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，空 间电荷区不存在载流子的产生与复合； ④ 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做 一维运动； ⑤ 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度 远小于多子浓度。
电场方向是电势降落的方向； 电场
定义电势能：E ? q?U q ? ? e
能带图是按电子能量的高低画 E ? ? e?U
P区电子的电势 能比N区的高
势能坡垒
空间电荷区
PN结接触电势差
在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势 能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”
—— PN结势垒
3、PN结 接触电势差 For n-type region
? ? ? NA ??
Ei
?
EFp
?
KT ln
NA ni
即有
UD
?
kT ln q
ND NA ni2
式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度；
UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的
电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。
NA=1017/cm3
ND=1015/cm3
室温下，硅的 UD = 0.70 V， 锗的UD = 0.32 V
2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布
多子
n:电子
p:空穴
少子
自建电场 空间电荷区
扩散区
多子
分布按指数规律变化 少子
Low-level injection
2.2.1 PN结的正向偏置特性 1、正偏能带变化图
?? E// ? E? E ? E?
E?
非平衡
势垒宽度变窄
外加电场
电场被削弱 势垒高度降低
平衡时
正偏使势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡，载流子的扩 散作用超过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN 结的正向电流。
电子扩散区
空穴扩散区
势垒区
准费米能级
边界
两边界的少子分布
qU
n ?XP ?? nP0e kT
qU
? ? p XN ? pN0eHale Waihona Puke BaidukT
平衡被破坏，在扩散区和势垒区，电子和空穴没有统一的费米 能级，这时只能用准费米能级表示 。
非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 。
4、正向电流转换和传输
Forward-active regime
二极管
2.7.3 欧姆接触
2.1 平衡 PN 结
基体
结面
衬底（外延层）
在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处， 会形成一个具有特殊电学性能过渡区域；
平衡PN结——就是指没有外加电压、光照和辐射 等
的PN结。
2.1.1 PN结的杂质分布状态 合金法
离子注入法
扩散法(主流)
1019/cm3
突变结
1016 /cm3
缓变结
结深
与突变结相似
2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图
1、空间电荷区的形成
电子为少子
接触前
空穴为多子
电子为多子 空穴为少子
相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓 度差，各区中的多子发生扩散，并复合、消耗；
P区
N区
P
耗尽层空 间电荷区
空穴
电子
扩散运动方向
自建场
空穴
电子
交界区域就形成了空间电荷区（也叫空间电荷层、耗尽层） 空间电荷区中，形成一个自建电场
2.5 PN结的电容效应 2.5.1 PN结的势垒电容 2.5.2 PN结的扩散电容 2.6 PN结的开关特性 2.6.1 PN结的开关作用 2.6.2 PN结的反向恢复时间 2.6.3 提高PN结开关速度的途径 2.7 金属? 半导体的整流接触和欧姆接触 2.7.1 金属?半导体接触的表面势垒 2.7.2 金属?半导体接触的整流效应与肖特基
比较：平衡PN结
扩散
正向注入 复合
? e 漂移 ?
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。 PN结内任意截面的电流是连续的。
5、PN结的正向电流-电压关系
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻
空穴
电子
以带负电的电子为例：
扩散运动 浓度差 多子
？
漂移运动 电场力 少子
动态平衡——两个相反的运动大小相等、方向相反；
由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。
思考：自建电场对各区中的少子发生什么影响？
2、能带状态图
接触时
各自独立时
平衡后
没有外加电压，费米能级应处处相等； 即 ：两个区的费米能级拉平 。
耗尽区或耗尽层——空间电荷区的载流子已基本被耗尽；
Depletion layer
空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;
2.2 PN结的非平衡双向直流特性
PN结非平衡状态——在PN结上施加偏置(Bias)电压 ； PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased)， 否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased)，并假设：