半导体物理第六章讲解
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负阻
4点—隧道电流等于0 5点—反向电流随反向电
压的增加而迅速增加
A PN junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Under the junction, plots for the charge density, the electric field and the voltage are reported.
②平衡pn结及其能带图: 当无外加电压, 载流子的流动终将达到动态
平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消, 电 荷没有净流动), pn结有统一的EF (平衡pn结)
结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成 势垒区(即空间电荷区).
③接触电势差:
pn结的势垒高度—qVD 接触电势差—VD
对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:
当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升
在隧道结中,正向电流由两部分组成: 扩散电流,隧道电流
扩散电流:随正向电压增加而指数增加，但在 较低正向电压下，扩散电流很小
隧道电流:在较低正向电压下，隧道电流是主 要的
分析隧道电流随外加电压变化的情况
0点—平衡pn结
1点—正向电流迅速上升 2点—电流达到峰值 3点—隧道电流减少,出现
当正向偏置电压增加，扩散区内的非 平衡载流子积累很快增加
在反向偏置下，非平衡载流子数变化 不大,扩散电容可忽略
pn结的势垒电容和扩散电容都随外加 电压而变化
微分电容:
C=dQ/dV
⑵突变结的势垒电容
①突变结的势垒区中电场、电势分布
②突变结的 势垒宽度XD
pn结的隧道效应
Vapplied is sucking more:
holes (+) out of P-side electrons (-) out of N-side
Depletion region will be larger
②外加直流电压下， pn结的能带图
(2) 理想pn结模型及其电流电压方程
VD
k0T q
ln
nn0 np0
k0T q
ln
NA ND ni2
VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
接触电势差
§2 pn结的电流电压特性
(1) 非平衡状态下的pn结 (2) 理想pn结模型及其电流电压方程 (3) 影响pn结电流电压特性偏离理想方程
的各种因素
(1) 非平衡状态下的pn结
①外加电压下，pn 结势垒的变化及载流子的运动
单向导电性
整流效应
qv
J Js ek0T 1
正向偏压 qv
J J se k0T
反向偏压
J Js
§3 pn结电容
⑴ pn结电容的来源
电容效应 pn结有整流效应，但又含破坏整流特性因素---pn结电容 低频电压下， pn结起整流作用 电压频率增高时，整流特性变坏，甚至没有整流效应 讨论pn结的电容特性 势垒电容，扩散电容
② 势垒十分薄
电子可以隧道贯穿势垒区.
隧道结的I-V特性
J 2
Jp
1
3
Jv
4
0
Vp Vv
V
5
隧道结的I-V特性 正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速
上升,达到一个极大, (峰值电流Ip,峰值电压Vp )
随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极 小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv) 在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.
第六章 pn结
§1 pn结及其能带图 §2 pn结的电流电压特性 §3 pn结电容 §4 pn结击穿
§1 pn结及其能带图 (1) pn结的形成和杂质分布 (2) pn结的基本概念
pn结的基本概念
①空间电荷区:
在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致 载流子的扩散.
扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷--空间 电荷(电离施主,电离受主).
隧道效应—能量低于势垒的粒子有一定的几 率穿越势垒. 这是一种量子力学效应
隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚度 有关.
隧道二极管—利用量子隧穿现象的器件效应
隧道结— pn结, 两边都是重掺杂(简并情况), 以至在p区, EF进入价带; 在n区, EF进入导带.
结果:
① n区的导带底部与p区的价Leabharlann Baidu顶部在能量上 发生交叠
空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场 的方向: n→p . 在内建电场作用下,载流子要作 漂移运动.
A p-n junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Electrons and holes concentration are reported respectively with blue and red lines. Gray regions are charge neutral. Light red zone is positively charged. Light blue zone is negatively charged. The electric field is shown on the bottom, the electrostatic force on electrons and holes and the direction in which the diffusion tends to move electrons and holes.
①理想pn结模型 小注入条件； 突变耗尽层条件； 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽
层中载流子的产生及复合作用； 玻耳兹曼边界条件
②理想pn结模型电流电压方程求解
pn结的电流电压特性
定性图象 正向偏压下,势垒降低, 正向电流随正向电压的 增加很快增加. 反向偏压下,势垒升高, 反向电流很小,并可达 到饱和.
①势垒电容 CT —当pn结上外加电压变
化，势垒区的空间电荷相 应变化所对应的电容效应.
当pn结上外加的正向电压 增加，势垒高度降低空 间电荷减少；……
当pn结上外加的反向电压 增加，势垒高度增加空 间电荷增加；……
电容效应
②扩散电容 CD —当pn结上外加电压变化，扩散区
的非平衡载流子的积累相应变化所对 应的电容效应.
4点—隧道电流等于0 5点—反向电流随反向电
压的增加而迅速增加
A PN junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Under the junction, plots for the charge density, the electric field and the voltage are reported.
②平衡pn结及其能带图: 当无外加电压, 载流子的流动终将达到动态
平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消, 电 荷没有净流动), pn结有统一的EF (平衡pn结)
结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成 势垒区(即空间电荷区).
③接触电势差:
pn结的势垒高度—qVD 接触电势差—VD
对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:
当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升
在隧道结中,正向电流由两部分组成: 扩散电流,隧道电流
扩散电流:随正向电压增加而指数增加，但在 较低正向电压下，扩散电流很小
隧道电流:在较低正向电压下，隧道电流是主 要的
分析隧道电流随外加电压变化的情况
0点—平衡pn结
1点—正向电流迅速上升 2点—电流达到峰值 3点—隧道电流减少,出现
当正向偏置电压增加，扩散区内的非 平衡载流子积累很快增加
在反向偏置下，非平衡载流子数变化 不大,扩散电容可忽略
pn结的势垒电容和扩散电容都随外加 电压而变化
微分电容:
C=dQ/dV
⑵突变结的势垒电容
①突变结的势垒区中电场、电势分布
②突变结的 势垒宽度XD
pn结的隧道效应
Vapplied is sucking more:
holes (+) out of P-side electrons (-) out of N-side
Depletion region will be larger
②外加直流电压下， pn结的能带图
(2) 理想pn结模型及其电流电压方程
VD
k0T q
ln
nn0 np0
k0T q
ln
NA ND ni2
VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
接触电势差
§2 pn结的电流电压特性
(1) 非平衡状态下的pn结 (2) 理想pn结模型及其电流电压方程 (3) 影响pn结电流电压特性偏离理想方程
的各种因素
(1) 非平衡状态下的pn结
①外加电压下，pn 结势垒的变化及载流子的运动
单向导电性
整流效应
qv
J Js ek0T 1
正向偏压 qv
J J se k0T
反向偏压
J Js
§3 pn结电容
⑴ pn结电容的来源
电容效应 pn结有整流效应，但又含破坏整流特性因素---pn结电容 低频电压下， pn结起整流作用 电压频率增高时，整流特性变坏，甚至没有整流效应 讨论pn结的电容特性 势垒电容，扩散电容
② 势垒十分薄
电子可以隧道贯穿势垒区.
隧道结的I-V特性
J 2
Jp
1
3
Jv
4
0
Vp Vv
V
5
隧道结的I-V特性 正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速
上升,达到一个极大, (峰值电流Ip,峰值电压Vp )
随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极 小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv) 在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.
第六章 pn结
§1 pn结及其能带图 §2 pn结的电流电压特性 §3 pn结电容 §4 pn结击穿
§1 pn结及其能带图 (1) pn结的形成和杂质分布 (2) pn结的基本概念
pn结的基本概念
①空间电荷区:
在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致 载流子的扩散.
扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷--空间 电荷(电离施主,电离受主).
隧道效应—能量低于势垒的粒子有一定的几 率穿越势垒. 这是一种量子力学效应
隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚度 有关.
隧道二极管—利用量子隧穿现象的器件效应
隧道结— pn结, 两边都是重掺杂(简并情况), 以至在p区, EF进入价带; 在n区, EF进入导带.
结果:
① n区的导带底部与p区的价Leabharlann Baidu顶部在能量上 发生交叠
空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场 的方向: n→p . 在内建电场作用下,载流子要作 漂移运动.
A p-n junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Electrons and holes concentration are reported respectively with blue and red lines. Gray regions are charge neutral. Light red zone is positively charged. Light blue zone is negatively charged. The electric field is shown on the bottom, the electrostatic force on electrons and holes and the direction in which the diffusion tends to move electrons and holes.
①理想pn结模型 小注入条件； 突变耗尽层条件； 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽
层中载流子的产生及复合作用； 玻耳兹曼边界条件
②理想pn结模型电流电压方程求解
pn结的电流电压特性
定性图象 正向偏压下,势垒降低, 正向电流随正向电压的 增加很快增加. 反向偏压下,势垒升高, 反向电流很小,并可达 到饱和.
①势垒电容 CT —当pn结上外加电压变
化，势垒区的空间电荷相 应变化所对应的电容效应.
当pn结上外加的正向电压 增加，势垒高度降低空 间电荷减少；……
当pn结上外加的反向电压 增加，势垒高度增加空 间电荷增加；……
电容效应
②扩散电容 CD —当pn结上外加电压变化，扩散区
的非平衡载流子的积累相应变化所对 应的电容效应.