pn结讲解

产生漂移电流
6.1.3
电子从费米能级高的n区流 向费米能级低的p区， 空穴从p流到n区。
最后，Pn具有统一费米能级EF,
EFn不断下移，EFp不断上 Pn结处于平衡状态。 移,直到EFn=EFp，
能带发生整体相对移动与pn结空 间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，
在n区内部：x>>Lp处
xn x exp( )0 Lp
则pn ( x) pn0
2.外加偏压下电流密度的关系
xn x qV pn ( x) pn 0 pn0 [exp( ) 1] exp( ) k0T Lp
小注入时，耗尽层外的扩散区不存在电场， 在X=Xn处，空穴扩散电流密度为
qV 2. 加反向偏压下，如果qV>>k0T, e x p ( 0 k0T
对n区： 在x=xn处
xn x pn ( x) pn ( x) pn 0 pn0 exp( ) Lp
pn ( x) pn0
即p( x) 0
xn x pn ( x) pn ( x) pn 0 pn0 exp( ) Lp
6.1.4
VD称为pn结的接触电势差或内建 电势差. qVD为pn结的势垒高度. 平衡时pn结的费米能级处处 相等. qVD=EFn-EFp nn0、np0分别为平衡时n、p区 的电子浓度
EFn Ei nn 0 ni exp( ) k0T
np0
EFp Ei ni exp( ) k0T
dp n ( x) J p ( xn ) qD p dx
x xn

qDp pn 0 Lp
qV [exp( 1] k0T
同理，在X=-Xp处，电子扩散电流密度为
J n ( x p ) qDp
dnp ( x) dx
x x p

qDn n p 0 Ln
qV [exp( 1] k0T
高温熔融的铝冷却后，n型硅片 上形成高浓度的p型薄层。
P型杂质浓度NA,
n型杂质浓度ND,
特点：交界面浓度发生突变。
在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。 杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为缓变结。
为杂质浓度梯度。
6.1.2
pn结附近电离的受主、施主所带 电荷称为空间电荷（不可移动）。 所在的区域为空间电荷区
第六章 pn结

本章主要内容
6.1
pn结及其能带图；
6.2 pn结电流、电压特性；
6.3 pn结电容；
6.4 pn结击穿特性； 6.5 pn隧道特性；
Pn相关器件认识
二极管 整流桥
主要面向计算机主板、硬盘驱 动器、手机充电器、紧急照明 以及笔记本电脑的背光照明等 应用。
蓝紫光半导体
太阳能电池
注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化 为空穴流，直到全部复合为止。 根据电流连续性原理， 通过pp’(或nn’)任何一 个界面的总电流是相 等的。
总电流=扩散电流+漂 移电流
扩散电流〉漂移电流
反向偏移下，非平衡状态
外加反向电场与内建势场方向一致。
现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大； 宽度增大； 势垒高度升高(高度从qVD升高到q（VD+V)；
pp’边界注入的非平衡少数载流子浓度为
2
2
n( x p ) n p 0
qVD nn 0 exp( ) k0T
np (x p ) np (x p ) np0
qV n p 0 [exp( ) 1] k0T
非平衡少数载流子浓度是电压的函数。
同理，nn’边界注入的非平衡少数载流子浓度为
x x pn ( x) pn ( x) pn 0 A exp( ) B exp( ) Lp Lp
边界条件：x, pn()=pn0, X=xn,
qV pn ( xn ) pn 0 exp( ) k0T
xn qV A pn 0 [exp( ) 1] exp( ), k0T Lp B0
qV qV qVD pn ( xn ) pn 0 exp( ) p p 0 exp( ) k0T k0T
qV pn ( xn ) pn ( xn ) pn0 p p 0 [exp( ) 1] k0T
非平衡少数载流子浓度是电压的函数。
稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程
nn 0 1 ln ( EFn EFp ) n p 0 k0T
nn 0 1 ln ( EFn EFp ) n p 0 k0T
nn 0 N D , n p 0
ni NA
2
qVD=EFn-EFp
k0T nn 0 1 VD ( EFn EFp ) (ln ) q q np0
LED射灯
LED天花灯
LED花园灯
LED LED球泡灯 球泡灯
LED地灯
LED手电筒 LED手电筒
第六章 PN结 一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其 交接面处形成PN结。 PN结是各种半导体器件， 如结型晶体管、集成电路 的心脏。 6.1 PN结及其能带图 6.1.1 PN结的形成及其杂质分布 1. Pn结的形成 在一块n型半导体上掺入p型杂质，在交界面上形成 pn结.
能带特征：
1. EFp 在p区及势垒
区为水平线，在空 穴扩散区(nn’到Lp 区)为斜线；
EFp 、Efn在扩散区为斜线的原因：由于复 合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐 减小
2. EFn 在n区及势垒 区为水平线，在电 子扩散区(pp’到Ln 区)为斜线；
正向偏压下的特征： 1. P、n区具有各自的费米 能级Efn、Efp； 2. 有净电流流过pn结；
使漂移电流〉扩散电流
少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被 势垒区强场驱向p区， p区边界pp’处的电子被驱向n 区。
反向电流= nn’区少数载流子电流+pp’少数载流子电流
2. 外加直流电压下，pn结的能带图
外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须 用准费米能级EFn、EFp代替平衡时的统一费米能级
Jn dEF dx n n
qDp dEF J p p0 kT dx
电流密度与费米能级的关系 对于平衡的pn结，Jn, Jp均为零，因此，
Jp dEF dx p p
EF=常数
qDp dEF J p p0 kT dx
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方， EF随 位置变化小，而载流子浓度小的地方， EF随位置 变化较大。
讨论：
xn x qV pn ( x) pn 0 pn0 [exp( ) 1] exp( ) k0T Lp
xp x qV 当 V一定，在 n p ( x) n p 0 n p 0 [exp( ) 1] exp( ) k0T Ln x=xn 和x=-xp边 界处 1. 非平衡少数载流子浓度一定，在扩散区形成稳定扩 散，按指数规律衰减。
3. 正向偏压下，势垒降 低qV;
4. qV=Efn-Efp；
5. Efn位置高于 EFP
反向偏压下pn结的能带结构
能带特征：
EFn、EFP也发生了偏离，但 EFP位置高于 Efn ；
6.2.2 理想pn结模型及其电流、电压方程
理想pn结模型： (1)小注入； (2)突变耗尽层条件-外加电压和接触电势差都降落 在耗尽层，耗尽层外是电中性的，注入的少数载流 子做纯扩散运动； (3)通过耗尽层的电子、空穴电流为常数，忽略耗尽 层中载流子的产生及复合作用； (4) 玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分 布满足玻耳兹曼统计分布。
正向偏移下，非平衡状态
N区电子扩散 向P区； P 区空穴扩散 向N区
PP’处电子浓度〉P区空穴浓度， 形成向P区的电子扩散流。
非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中， 不断与多子复合，直到复合完毕，这段 扩散过程称为扩散长度。
一定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp’边界的电子 浓度时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。 非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子 进入半导体的过程。
pn0是平衡时n区的少子浓度
当 X=Xn时，V(x)=VD,
p(xn)=pn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, p(-xp)=pp0
qVD p( x p ) p p 0 pn 0 exp( ) k0T
qVD p n 0 p p 0 exp( ) k0T
平衡时，pn结具有统一的费米 能级，无净电流流过pn结。 1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 势垒区：载流子浓度很小，电阻很大； 势垒外：载流子浓度很大，电阻很小； 外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与 内建电场方向相反， 产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小； 载流子扩散流〉漂移流， 净扩散流〉0 ； 宽度减小； 势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)
势垒高度
在一定温度下，掺杂浓度越高，VD越大； ni越小， VD越大
6.1.5
平衡时pn结，取p区电势为零， 势垒区一点x的电势V(x)， x点的电势能为E(x)=-qV(x) 对非简并材料， x点的电子浓度 n(x)，应用第三章计算平衡时导 带载流子浓度计算方法
因为E(x)=-qV(x)
EF Ecn nn 0 N c exp( ), Ecn qVD k0T Ecn Ex nx nn 0 exp( ) k0T
qV ( x) qVD nn 0 exp( ) k0T
当 X=Xn时，V(x)=VD,
n(x)=nn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, n(-xp)=nn0
Fra Baidu bibliotek
n( x p ) n p 0
qVD nn 0 exp( ) k0T
n(-xp)P区的少数载流子浓度。
X点空穴浓度为，
qVD qV ( x) px pn 0 exp( ) k0T
1. pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：
EFn Ei n p ni exp( ) k0T EFn EFP n p p p ni exp( ) k0T
2
Ei EFp Pp ni exp( ) k0T
在PP’边界处， x=-xp, qV=Efn-Efp,
qV n p ( x p ) p p ( x p ) ni exp( ) k0T
xp x qV n p ( x) n p 0 n p 0 [exp( ) 1] exp( ) k0T Ln
理想PN 结，忽略势垒区内的复合-产生作用， 通过pp’界面的空穴电流密度为Jp(-xp)=通过nn’’界面 的空穴电流密度为Jp(xn);
通过pn结的总的电流密度为J J= Jn(-xp) +Jp(-xp) = Jn(-xp) +Jp(xn)
d E x pn pn 0 d pn d 2 p Dp p Ex n pn 0 2 dx dx dx p
小注入时 d Ex / dx很小，可略去。
N型扩散区Ex=0 连续性方程变为：
d 2 p pn pn0 Dp 0 2 dx p
方程的通解为：
x x pn ( x) pn ( x) pn 0 A exp( ) B exp( ) Lp Lp
电子电势能-q V(x)由n到p不断升高 P区能带整体相对n区上移。 n区能带整体相对p区下移。 直到具有统一费米能级 Pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、 漂移电流流过。
动态平衡时
本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致
k0T n Dn q
k0T n Dn q
同理，空穴电流密度为：
外加正向偏 压下，非平 衡少数载流 x p x 子在两边扩 qV 同理： n ( x) n n [exp( ) 1] exp( ) 散区的分布 p p0 p0 k0T Ln
xn x qV pn ( x) pn 0 pn0 [exp( ) 1] exp( ) k0T Lp
2
由于p p ( x p ) p p 0 , p p 0 n p 0 ni
2
ni ni qV qV n p ( x p ) exp( ) exp( ) p p ( x p ) k0T p p0 k0T
qV n p 0 exp( ) k0T
qV qVD nn 0 exp( ) k0T