第六章pn結,本章主要內(nèi)容,6.1pn結及其能帶圖；6.2pn結電流、電壓特性；6.3pn結電容；6.4pn結擊穿特性；6.5pn隧道特性；,Pn相關器件認識,二極管,整流橋,主要面向計算機主板、硬盤驅動器、手機充電器、緊急照明以及筆記本電腦的背光照明等應用。,藍紫光半導體,太陽能電池,第六章PN結,一塊P型半導體和一塊N型半導體結合在一起，在其交接面處形成PN結。PN結是各種半導體器件，如結型晶體管、集成電路的心臟。,6.1PN結及其能帶圖6.1.1PN結的形成及其雜質分布,Pn結的形成在一塊n型半導體上摻入p型雜質，在交界面上形成pn結.,高溫熔融的鋁冷卻后，n型硅片上形成高濃度的p型薄層。,P型雜質濃度NA,n型雜質濃度ND,特點：交界面濃度發(fā)生突變。,在n型單晶硅片上擴散受主雜質，形成pn結。雜質濃度從p到n逐漸變化，稱為緩變結。,為雜質濃度梯度。,6.1.2,pn結附近電離的受主、施主所帶電荷稱為空間電荷（不可移動）。所在的區(qū)域為空間電荷區(qū),產(chǎn)生漂移電流,6.1.3,電子從費米能級高的n區(qū)流向費米能級低的p區(qū)，空穴從p流到n區(qū)。,EFn不斷下移，EFp不斷上移,直到EFn=EFp，,最后，Pn具有統(tǒng)一費米能級EF,Pn結處于平衡狀態(tài)。,能帶發(fā)生整體相對移動與pn結空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場有關。,隨內(nèi)建電場(np)不斷增大，V(x)不斷降低，,電子電勢能-qV(x)由n到p不斷升高,P區(qū)能帶整體相對n區(qū)上移。n區(qū)能帶整體相對p區(qū)下移。直到具有統(tǒng)一費米能級,Pn結費米能級處處相等標志pn結達到動態(tài)平衡，無擴散、漂移電流流過。,本征費米能級Ei的變化與-qV(x)一致,動態(tài)平衡時,同理，空穴電流密度為：,電流密度與費米能級的關系,對于平衡的pn結，Jn,Jp均為零，因此，,EF=常數(shù),當電流密度一定時，載流子濃度大的地方，EF隨位置變化小，而載流子濃度小的地方，EF隨位置變化較大。,6.1.4,VD稱為pn結的接觸電勢差或內(nèi)建電勢差.qVD為pn結的勢壘高度.,平衡時pn結的費米能級處處相等.qVD=EFn-EFp,nn0、np0分別為平衡時n、p區(qū)的電子濃度,qVD=EFn-EFp,在一定溫度下，摻雜濃度越高，VD越大；ni越小，VD越大,勢壘高度,6.1.5,平衡時pn結，取p區(qū)電勢為零，勢壘區(qū)一點x的電勢V(x)，x點的電勢能為E(x)=-qV(x),對非簡并材料，x點的電子濃度n(x)，應用第三章計算平衡時導帶載流子濃度計算方法,因為E(x)=-qV(x),當X=Xn時，V(x)=VD,n(x)=nn0,當X=-Xp時，V(x)=0,n(-xp)=nn0,n(-xp)P區(qū)的少數(shù)載流子濃度。,X點空穴濃度為，,pn0是平衡時n區(qū)的少子濃度,當X=Xn時，V(x)=VD,p(xn)=pn0,當X=-Xp時，V(x)=0,p(-xp)=pp0,平衡時，pn結具有統(tǒng)一的費米能級，無凈電流流過pn結。,1.外加電壓下，pn結勢壘的變化及載流子的運動,外加正向偏壓主要降在勢壘區(qū)；外加正向電場與內(nèi)建電場方向相反，,勢壘區(qū)：載流子濃度很小，電阻很大；勢壘外：載流子濃度很大，電阻很?。?產(chǎn)生現(xiàn)象：勢壘區(qū)電場減小，使勢壘區(qū)空間電荷減小；載流子擴散流漂移流，凈擴散流0；寬度減?。粍輭靖叨冉档?高度從qVD降到q（VD-V),正向偏移下，非平衡狀態(tài),N區(qū)電子擴散向P區(qū)；P區(qū)空穴擴散向N區(qū),非平衡少子(電子或空穴)在擴散過程中，不斷與多子復合，直到復合完畢，這段擴散過程稱為擴散長度。,一定正向偏壓下，單位時間從n區(qū)擴散到pp邊界的電子濃度時一定的，并在p區(qū)形成穩(wěn)定分布(空穴一樣)。,非平衡載流子的電注入：正向偏壓使非平衡載流子進入半導體的過程。,PP處電子濃度P區(qū)空穴濃度，形成向P區(qū)的電子擴散流。,注入到p區(qū)的電子斷與空穴復合，電子流不斷轉化為空穴流，直到全部復合為止。,根據(jù)電流連續(xù)性原理，通過pp(或nn)任何一個界面的總電流是相等的?？傠娏?擴散電流+漂移電流,擴散電流漂移電流,反向偏移下，非平衡狀態(tài),外加反向電場與內(nèi)建勢場方向一致。,現(xiàn)象：勢壘區(qū)電場增大，勢壘區(qū)空間電荷增大；寬度增大；勢壘高度升高(高度從qVD升高到q（VD+V)；使漂移電流擴散電流,少數(shù)載流子的抽取或吸出：n區(qū)邊界nn處的空穴被勢壘區(qū)強場驅向p區(qū)，p區(qū)邊界pp處的電子被驅向n區(qū)。,反向電流=nn區(qū)少數(shù)載流子電流+pp少數(shù)載流子電流,2.外加直流電壓下，pn結的能帶圖,外加正向電壓下，p、n區(qū)均有非平衡少子注入，必須用準費米能級EFn、EFp代替平衡時的統(tǒng)一費米能級,能帶特征：EFp在p區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在空穴擴散區(qū)(nn到Lp區(qū))為斜線；EFn在n區(qū)及勢壘區(qū)為水平線，在電子擴散區(qū)(pp到Ln區(qū))為斜線；,EFp、Efn在擴散區(qū)為斜線的原因：由于復合，存在濃度梯度，電子、空穴濃度逐漸減小,正向偏壓下的特征：P、n區(qū)具有各自的費米能級Efn、Efp；有凈電流流過pn結；正向偏壓下，勢壘降低qV;qV=Efn-Efp；Efn位置高于EFP,反向偏壓下pn結的能帶結構,能帶特征：EFn、EFP也發(fā)生了偏離，但EFP位置高于Efn；,6.2.2理想pn結模型及其電流、電壓方程,理想pn結模型：(1)小注入；(2)突變耗盡層條件-外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層，耗盡層外是電中性的，注入的少數(shù)載流子做純擴散運動；,(3)通過耗盡層的電子、空穴電流為常數(shù)，忽略耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復合作用；(4)玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布。,1.pp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度：,在PP邊界處，x=-xp,qV=Efn-Efp,pp邊界注入的非平衡少數(shù)載流子濃度為,非平衡少數(shù)載流子濃度是電壓的函數(shù)。,同理，nn邊界注入的非平衡少數(shù)載流子濃度為,非平衡少數(shù)載流子濃度是電壓的函數(shù)。,穩(wěn)態(tài)時，非平衡少數(shù)載流子的連續(xù)性方程,小注入時,N型擴散區(qū)Ex=0,連續(xù)性方程變?yōu)椋?方程的通解為：,邊界條件：x,pn()=pn0,X=xn,同理：,外加正向偏壓下，非平衡少數(shù)載流子在兩邊擴散區(qū)的分布,討論：,1.非平衡少數(shù)載流子濃度一定，在擴散區(qū)形成穩(wěn)定擴散，按指數(shù)規(guī)律衰減。,當V一定，在x=xn和x=-xp邊界處,2.加反向偏壓下，如果qVk0T,對n區(qū)：,在x=xn處,在n區(qū)內(nèi)部：xLp處,2.外加偏壓下電流密度的關系,小注入時，耗盡層外的擴散區(qū)不存在電場，,在X=Xn處，空穴擴散電流密度為,同理，在X=-Xp處，電子擴散電流密度為,理想PN結，忽略勢壘區(qū)內(nèi)的復合-產(chǎn)生作用，通過pp界面的空穴電流密度為Jp(-xp)=通過nn界面的空穴電流密度為Jp(xn);,通過pn結的總的電流密度為J,J=Jn(-xp)+Jp(-xp),=Jn(-xp)+Jp(xn),理想pn結的電壓-電流方程，又稱為肖克萊方程。,3.Pn結的單向導電性,正向偏壓下，電流密度隨電壓V指數(shù)式迅速增大,室溫下，k0T=0.026V,反向偏壓下，Vk0T時，,反向電流密度為常量，與外加電壓無關，-Js為反向飽和電流密度,4.溫度對電流密度的影響,反向電流密度：,正向電流密度：,正向電流密度隨溫度升高而增加,前面的溫度項溫度升高緩慢增加，后項隨溫度升高迅速增大,6.2.3影響pn結電流電壓特性偏離理想方程的各種因素,實驗表明，理想電流電壓特性方程和小注入下鍺pn結的實驗結果較符合；但與硅pn結實驗結果偏離較大。,偏離方面：正向偏壓:正向電流小時，理論值理論值，反向電流不飽和，而是隨反向偏壓增大而略有增大,引起偏離的原因,1.勢壘區(qū)產(chǎn)生電流,平衡時，勢壘區(qū)產(chǎn)生率=復合率,反向偏壓時，勢壘區(qū)內(nèi)電場加強，由于熱激發(fā)作用，復合中心產(chǎn)生的電子空穴對來不及復合就被電場驅走了。使勢壘區(qū)產(chǎn)生率復合率。,產(chǎn)生附加的反向電流IG,設凈產(chǎn)生率為G,結面積A,勢壘寬度XD,IG=qGXDA,勢壘區(qū)內(nèi),勢壘區(qū)內(nèi)凈的復合率,凈的復合率U=-G,由于IG=qGXDA,2.勢壘區(qū)產(chǎn)生電流,正向偏壓時，注入到P區(qū)電子與N區(qū)的空穴在勢壘區(qū)內(nèi)復合，構成正向復合電流。,假定復合中心與本征費米能級重合，令rp=rn=r,設勢壘區(qū)n=p,總的正向電流密度JF=擴散電流JFD+復合電流Jr,m=2復合電流為主，m=1擴散電流為主,低電壓時,JrJFD,復合電流為主,高電壓時,JFDJr,擴散電流為主,3.大注入情況,大注入：注入的非平衡少子濃度接近或超過多子濃度,P+n為例：正向電流主要P+區(qū)注入n區(qū)的空穴電流，n區(qū)注入P+區(qū)的電子電流可忽略。,設注入空穴濃度pn(xn)很大，n區(qū)多子濃度nn0=ND為了保持n區(qū)電中性，n區(qū)的多子相應地增加同等數(shù)量pn(xn)=n(x).,電子濃度梯度=空穴濃度梯度,存在電子濃度梯度，使電子在空穴擴散方向上也發(fā)生擴散,通過nn界面的電流=電子電流密度Jn+空穴電流密度,總結：低電壓時，m=2,復合電流其主要作用；高電壓時，m=1,擴散電流其主要作用。,大注入時其電流電壓關系為,6.3pn結電容：,正向偏壓增大時，使勢壘區(qū)減小原因：n區(qū)的電子或p區(qū)空穴中和勢壘區(qū)電離施主或電離受主，效果：相當于在勢壘區(qū)“儲存”了電子或空穴。,正向偏壓減小時，使勢壘區(qū)增大原因：n區(qū)的電子或p區(qū)空穴從勢壘區(qū)抽出，空間電荷數(shù)增多。效果：相當于勢壘區(qū)“取出”電子或空穴。,勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)隨外加偏壓發(fā)生變化，等價于電容器的充、放電作用。,2.擴散電容,正向偏壓時，空穴(電子)注入n(p)區(qū)，在勢壘邊界處，積累非平衡少數(shù)載流子。,正向偏壓增大時，勢壘區(qū)邊界處積累的非平衡載流子增多；正向偏壓減小時，則相應減小。,由于正向偏壓增大或減小，引起勢壘區(qū)邊界處積累的電荷數(shù)量增多或減小產(chǎn)生的電容稱為擴散電容。,勢壘電容和擴散電容均隨外加偏壓的變化而變化，均為可變電容,微分電容pn結在固定直流偏壓V作用下，疊加一個微小的交流電容dV時，引起電荷變化dQ,該直流偏壓下的微分電容為,6.3.2突變結勢壘電容-非線性的,1.突變結勢壘中電容的電場、電勢分布,勢壘區(qū)電荷密度分布：(X)=-qNA-xpx0;(X)=-qND,0xEg時，p區(qū)價帶頂電子與n區(qū)導帶底電子具有相同能量，電子可以從價帶頂直接渡越到導帶，發(fā)生隧穿。,對一定的半導體材料，勢壘區(qū)電場E越大，或x越短，電子穿過隧道的概率p越大。,電場E增大到一定程度，或x短到一定程度，p區(qū)大量價帶電子隧穿到n區(qū)導帶，反向電流密度急劇增大，pn結隧道擊穿。,若概率p=10-10，Si:Eg=1.12eV,x=3.1nm。,(NVA)越大，x越小，隧道擊穿概率P越大。隧道擊穿與(NVA)密切相關。,(NVA)中，N小，反向偏壓V大時，容易發(fā)生雪崩擊穿；雜質濃度N大時，隧道擊穿為主。,3.熱電擊穿,Pn結施加反向電壓時，反向電流引起熱損耗；反向電壓越大，熱損耗也越大。如果散熱不暢，會引起結溫升高。,反向電流隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增大，上升速度非常快。,結溫升高，JS升高，熱能迅速增大，使結溫進一步升高，反向電流密度進一步增大。循環(huán)往復，Js無限增大，發(fā)生擊穿。,5.Pn結隧道效應,兩邊重摻雜的PN結，其電壓特性,1-2階段：隨電壓增大電流迅速增大，達到峰值電流IP。對應峰值電壓VP.,2-3階段：隨電壓增大電流發(fā)反而減小的現(xiàn)象稱為負阻，極小值電流稱為谷值電流Iv。電壓稱為谷值電壓Vv.,當電壓大于Vv后，電流又隨電壓的增大而增大。,VPVv段電壓增大電流發(fā)反而減小的特性稱為負阻特性。,隧道結：重摻雜的P區(qū)和n區(qū)形成的結。,應用：制備各種隧道二極管。,負阻特性的應用：微波放大、高速開關、激光振蕩源等。,P區(qū)費米能級進入價帶；N區(qū)費米能級進入導帶；,平衡時的能帶圖,N區(qū)導帶與p區(qū)價帶存在相同能量的量子態(tài)。重