第六章pn結(jié)半導(dǎo)體二極管

發(fā)光二極管

光電池光電二極管光敏二極管符號(hào)

光敏二極管接法

pn結(jié)的重要性質(zhì)電流電壓特性電容效應(yīng)擊穿效應(yīng)主要研究?jī)?nèi)容

6.1.1pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分布

利用摻雜工藝，將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成p型，另一側(cè)摻雜成n型，p區(qū)與n區(qū)的交界面就形成了pn結(jié)。摻雜n型p型pn結(jié)常用的方法合金法擴(kuò)散法

nSiAl

nSi液體

nSip

nSiSiO2

nSi

nSiPThesimplestmethodofproducinganoxidelayerconsistsofheatingasiliconwaferinanoxidizingatmosphere.pn結(jié)的雜質(zhì)分布1.合金法（突變結(jié)）NDNAN(x)xpnpn結(jié)的雜質(zhì)分布2.擴(kuò)散法（緩變結(jié)）線性緩變結(jié),雜質(zhì)濃度梯度NDNA(x)N(x)xp

n6.1.2空間電荷區(qū)半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng).在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔?，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：pn結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過pn結(jié)的電流為零。

pn結(jié)形成的物理過程①多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)由于濃度差，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散交界面P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子，交界面處出現(xiàn)由數(shù)量相等正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，并產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)EIN。②內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)少子漂移促使阻止空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場(chǎng)EIN削弱擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)小結(jié)：PN結(jié)中同時(shí)存在多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結(jié)中總的電流為零。6.1.3pn結(jié)能帶圖EC

EFnEVEC

EFpEVp型半導(dǎo)體能帶圖n型半導(dǎo)體能帶圖平衡pn結(jié)能帶圖p區(qū)能帶相對(duì)向上移n區(qū)能帶相對(duì)向下移費(fèi)米能級(jí)相等，pn結(jié)達(dá)平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。勢(shì)壘高度：qVD=EFn—EFpEFqVDqVD空間電荷區(qū)ECEV勢(shì)壘高度電子電勢(shì)能增加的方向空穴電勢(shì)能增加的方向勢(shì)壘區(qū)在p–n結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲，這是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果。因能帶彎曲，電子從勢(shì)能低的n區(qū)向勢(shì)能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能到達(dá)p區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能從p區(qū)到達(dá)n區(qū)這一勢(shì)能“高坡”通常稱為p–n結(jié)的勢(shì)壘，故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。利用愛因斯坦關(guān)系

因?yàn)樗?/p>

則

而本征費(fèi)米能級(jí)的變化與電子電勢(shì)能的變化一致，所以帶入上式得

或同理可得或表示了費(fèi)米能級(jí)隨位置的變化和電流密度的關(guān)系對(duì)于平衡pn結(jié)，電子電流和空穴電流均為0，因此當(dāng)電流密度一定的時(shí)候，載流子濃度大的地方，EF隨位置變化小；載流子濃度小的地方，EF隨位置變化大。6.1.4pn結(jié)接觸電勢(shì)差平衡pn結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢(shì)差VD稱為pn結(jié)的接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)差

qVD稱為pn結(jié)的勢(shì)壘高度對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，n區(qū)和p區(qū)的平衡電子濃度，兩式相除取對(duì)數(shù)得因?yàn)樗訴D與pn結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度和材料的禁帶寬度有關(guān)。摻雜濃度越大，VD越大禁帶寬度越大，VD越大室溫下硅的VD＝0.7V，鍺的VD＝0.32V。6.1.5pn結(jié)的載流子分布取p區(qū)電勢(shì)為0，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)一點(diǎn)x的電勢(shì)V(x)，對(duì)應(yīng)電子電勢(shì)能為E(x)=-qV(x)。勢(shì)壘區(qū)邊界xn處的n區(qū)電勢(shì)最高為VD，對(duì)應(yīng)電勢(shì)能E(xn)=Ecn=-qVD。對(duì)于非簡(jiǎn)并材料令則上式變?yōu)橐驗(yàn)镋(x)=-qV(x)而Ecn=-qVD，所以

當(dāng)x=xn，V(x)=VD，所以當(dāng)x=-xp，V(x)=0，所以p區(qū)平衡少數(shù)載流子濃度為同理，可以求得x點(diǎn)處的空穴濃度為當(dāng)x=xn，V(x)=VD，所以當(dāng)x=-xp，V(x)=0，所以p區(qū)平衡多數(shù)載流子濃度為或載流子在勢(shì)壘兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼分布。pnxnponnopnoppon(x)p(x)平衡p-n結(jié)中載流子的分布利用上述公式計(jì)算電勢(shì)能比n區(qū)導(dǎo)帶底高0.1eV的點(diǎn)x處的載流子濃度，假設(shè)勢(shì)壘高度為0.7eV，則載流子濃度比n區(qū)和p區(qū)的多數(shù)載流子濃度小得多,因此勢(shì)壘區(qū)也稱為耗盡區(qū)。6.2.1非平衡態(tài)下的pn結(jié)外加電壓下，pn結(jié)勢(shì)壘的變化及載流子的流動(dòng)。外加直流電壓下，pn結(jié)的能帶圖

外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。1.外加正向電壓電子通過勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入p區(qū)，在邊界pp’(x=-xp)處形成電子的積累，成為p區(qū)的非平衡少數(shù)載流子結(jié)果使pp’處的電子濃度比p區(qū)內(nèi)部高，形成了從pp’處向p區(qū)內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。非平衡載流子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，經(jīng)過比擴(kuò)散長度大若干倍的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。非平衡載流子的電注入在一定的正向偏壓下，單位時(shí)間內(nèi)從n區(qū)來到pp’處的非平衡少子濃度是一定的，并在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成一穩(wěn)定的分布。在pp’處有一不變的向p區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的電子擴(kuò)散流。同理，在邊界nn’處也有一不變的向n區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。當(dāng)增大偏壓時(shí)，勢(shì)壘降得更低，增大了流入p區(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流這種由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為非平衡載流子的電注入。外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場(chǎng)作用下形成反向電流，因?yàn)槭巧僮悠七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，反向電流很小，這時(shí)稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。2.外加反向電壓n區(qū)邊界nn’處的空穴被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)邊界pp’處的電子被驅(qū)向n區(qū)。當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的電子和空穴擴(kuò)散電流，這種情況好象少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為少數(shù)載流子的抽取非平衡p–n結(jié)的能帶圖非平衡p–n結(jié)的能帶圖與平衡p–n結(jié)有兩點(diǎn)不同:一是勢(shì)壘高度由qVD變?yōu)閝(VD-V)

二是非平衡p–n結(jié)不再具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，即產(chǎn)生了電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。6.2.2理想pn結(jié)模型及其電流電壓方程理想p–n結(jié)條件：小注入條件——注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；突變耗盡層條件——外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)通過耗盡層的電子和空穴為常量，不考慮耗盡層中的產(chǎn)生和復(fù)合作用。玻耳茲曼邊界條件——在耗盡層兩端，載流子的分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。計(jì)算電流密度方法根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算勢(shì)壘區(qū)邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度以邊界nn’和pp’處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度作為邊界條件，解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布將非平衡載流子的濃度代入擴(kuò)散方程，算出擴(kuò)散流密度，再算出少數(shù)載流子的電流密度將兩種載流子的擴(kuò)散密度相加，得到理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式p區(qū)載流子濃度與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系，pp’處，x=-xp，EFn-EFp=qV，因而因?yàn)?/p>

正向偏壓時(shí)，EnF>EpF反向偏壓時(shí)，EpF>EnF代入可得由此注入p區(qū)邊界pp’處的非平衡少數(shù)載流子濃度為同理可得注入n區(qū)邊界nn’處的非平衡少數(shù)載流子濃度為可見注入勢(shì)壘區(qū)邊界pp’和nn’處的非平衡少數(shù)載流子是外加電壓的函數(shù)。以上兩式為解連續(xù)性方程的邊界條件。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程小注入條件下，電場(chǎng)變化項(xiàng)可以忽略，n擴(kuò)散區(qū)|Ex|=0，故根據(jù)邊界條件可求得同理可得小注入條件下，x=xn處，空穴的擴(kuò)散電流密度同理，x=-xp處，電子的擴(kuò)散電流密度若忽略勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合作用，通過pn結(jié)的總電流密度為代入可得令理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式肖克萊方程式

1.pn結(jié)具有單向?qū)щ娦哉蚱珘合?，電流密度隨電壓指數(shù)增加，方程可表示為反向偏壓下p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦曰蛘餍?yīng)。在正向偏壓下，正向電流密度隨著正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。在反向偏壓下，J=-Js，即反向電流密度是常量，與外加電壓無關(guān)。故稱Js為反向飽和電流密度。2.溫度對(duì)電流密度的影響很大6.2.3影響pn結(jié)電流電壓特性偏離理想方程的各種因素理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的差別正向偏壓正向電流小時(shí),理論計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值小正向電流較大時(shí),曲線c段曲線d段,電流電壓不是指數(shù)關(guān)系,是線性關(guān)系.反向偏壓反向電流比理論計(jì)算值大得多而且反向電流是不飽和的,隨反向偏壓的增大略有增加.引起差別的主要原因:勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生及復(fù)合表面效應(yīng)大注入的條件串聯(lián)電阻效應(yīng)①勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電流p–n結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率。當(dāng)p–n結(jié)加反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加強(qiáng)，所以在勢(shì)壘區(qū)，由于熱激發(fā)的作用，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)走了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率，具有凈產(chǎn)生率，從而形成另一部分反向電流，稱為勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流。以p+n結(jié)為例比較勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流與反向擴(kuò)散電流的大小勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流密度以p+n結(jié)反向擴(kuò)散電流密度對(duì)Ge,禁帶寬度小,本征載流子大,反向擴(kuò)散電流密度大于勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流密度.在反向電流中,反向擴(kuò)散電流起主要作用對(duì)Si,禁帶寬度大,本征載流子小,反向擴(kuò)散電流密度小于勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流密度.在反向電流中,勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流起主要作用由于勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向偏壓的增加而變寬所以勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流是不飽和的.隨著反向偏壓的增加而緩慢增加.②勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流在正向偏壓下，從n區(qū)注入p區(qū)的電子和從p區(qū)注入n區(qū)的空穴，在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)復(fù)合了一部分，構(gòu)成了另一股正向電流，稱為勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流。③大注入情況外加電壓的一部分降在空穴擴(kuò)散區(qū)，它形成的電場(chǎng)產(chǎn)生空穴漂移電流。在空穴擴(kuò)散區(qū)同時(shí)存在擴(kuò)散電流和漂移電流。

6.3pn結(jié)電容pn結(jié)具有一定的電容效應(yīng)

1、勢(shì)壘電容

2、擴(kuò)散電容1.勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。

當(dāng)pn結(jié)加正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少?？臻g電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的，所以空間電荷的減少是由于n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴過來中和了勢(shì)壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主。這就是說，在外加正向偏壓增加時(shí)，將有一部分電子和空穴“存入”勢(shì)壘區(qū)。反之當(dāng)正向偏壓減小時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘區(qū)寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，這就是有一部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中“取出”。對(duì)于加反向偏壓的情況，可作類似分析?？傊琾n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個(gè)電容器的充放電作用相似。這種p–n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容，以CT表示。

PN結(jié)正偏時(shí)，電子（非平衡少子）由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，到遠(yuǎn)離交界面處，形成一定的濃度梯度分布曲線。電壓增大，擴(kuò)散電流增大。2.擴(kuò)散電容

反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同(相當(dāng)于電容的充放電)。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。勢(shì)壘電容在正偏和反偏時(shí)均不能忽略。反向偏置時(shí)，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴(kuò)散電容6.3.2突變結(jié)的勢(shì)壘電容突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)、電勢(shì)分布空間電荷由電離施主和電離受主組成勢(shì)壘區(qū)的電荷密度為勢(shì)壘區(qū)寬度為因整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性條件，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等，即勢(shì)壘區(qū)正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜質(zhì)濃度成反比。雜質(zhì)濃度高的一邊寬度小，雜質(zhì)濃度低的一邊寬度大。對(duì)于p+n結(jié)NA?ND

，勢(shì)壘擴(kuò)展幾乎都發(fā)生在n區(qū)中。對(duì)于pn+結(jié)

ND?NA，勢(shì)壘擴(kuò)展主要發(fā)生在p區(qū)突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的泊松方程為V1(x)、V2(x)分別是負(fù)、正空間電荷區(qū)中的各點(diǎn)電勢(shì)。將上式積分一次得式中C1、C2是積分常數(shù)，可以用邊界條件確定。勢(shì)壘區(qū)以外是電中性的，電場(chǎng)集中在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)，故得邊界條件為因此勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)為電場(chǎng)強(qiáng)度是位置x的線性函數(shù)。電場(chǎng)方向沿負(fù)x方向，從n區(qū)指向p區(qū)。在x＝0處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，即對(duì)（6-77）積分一次得勢(shì)壘區(qū)中各點(diǎn)的電勢(shì)為D1、D2是積分常數(shù)，由邊界條件確定設(shè)p型中性區(qū)的電勢(shì)為零，則在熱平衡條件下邊界條件為因?yàn)樵趚＝0處，電勢(shì)是連續(xù)的，即在平衡pn結(jié)的勢(shì)壘區(qū)中，電勢(shì)分布是拋物線形式。V(x)表示點(diǎn)x處的電勢(shì)，而-qV(x)則表示電子在x點(diǎn)的電勢(shì)能。勢(shì)壘區(qū)中能帶變化趨勢(shì)與電勢(shì)變化趨勢(shì)相反。突變結(jié)的勢(shì)壘寬度XD利用式(6-83)，則從式(6-84)可以得到突變結(jié)接觸電勢(shì)差突變結(jié)的勢(shì)壘寬度和雜質(zhì)濃度以及接觸電勢(shì)差的關(guān)系。雜質(zhì)濃度越高，勢(shì)壘寬度越小。當(dāng)雜質(zhì)濃度一定時(shí)，則接觸電勢(shì)差大的突變結(jié)對(duì)應(yīng)于寬的勢(shì)壘寬度。對(duì)于p+n結(jié)

對(duì)于pn+結(jié)

①單邊突變結(jié)的接觸電勢(shì)差VD隨著低摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的增加而升高；

②單邊突變結(jié)的勢(shì)壘寬度隨輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度增大而下降。勢(shì)壘區(qū)幾乎全部在輕摻雜的一邊，因而能帶彎曲主要發(fā)生于這一區(qū)域。③將式(6-90)或式(6-92)與式(6-79)比較可得以上討論只適用于沒有外加電壓時(shí)的pn結(jié)。當(dāng)pn結(jié)上加有外加電壓V時(shí)，勢(shì)壘區(qū)上總的電壓為VD-V，正向時(shí)V＞0，反向時(shí)V＜0。①突變結(jié)的勢(shì)壘寬度與勢(shì)壘區(qū)上的總電壓(VD-V)的平方根成正比。在正向偏壓下，(VD-V)隨V的升高而減小，故勢(shì)壘區(qū)變窄；在反向偏壓下，(VD-V)隨V的增大而增大，故勢(shì)壘區(qū)變寬。②當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢(shì)壘寬度隨pn結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度的變化而變化。對(duì)于單邊突變結(jié)，勢(shì)壘區(qū)主要向輕摻雜一邊擴(kuò)展，而且勢(shì)壘寬度與輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成反比。突變結(jié)勢(shì)壘電容勢(shì)壘區(qū)內(nèi)單位面積上總電量為由微分電容定義得單位面積勢(shì)壘電容為若pn結(jié)面積為A，則pn結(jié)的勢(shì)壘電容為與平行板電容器公式在形式完全一樣。勢(shì)壘區(qū)寬度對(duì)應(yīng)于兩平行極板間的距離。pn結(jié)勢(shì)壘電容中的勢(shì)壘寬度與外加電壓有關(guān)pn結(jié)勢(shì)壘電容是隨外加電壓而變化的非線性電容而平行板電容器的電容則是一恒量。突變結(jié)的勢(shì)壘電容和結(jié)的面積以及輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成正比因此減小結(jié)面積以及降低輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度是減小結(jié)電容的途徑；突變結(jié)勢(shì)壘電容和電壓(VD-V)的平方根成反比，反問偏壓越大，則勢(shì)壘電容越小若外加電壓隨時(shí)間變化，則勢(shì)壘電容也隨時(shí)間而變，可利用這一特性制作變?nèi)萜骷?.3.3線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容勢(shì)壘區(qū)的空間電荷密度為為雜質(zhì)濃度梯度根據(jù)邊界條件得電場(chǎng)強(qiáng)度按拋物線形式分布在x=0處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大，即電勢(shì)是按x的立方曲線形式分布將x=±XD/2代入，得勢(shì)壘區(qū)邊界處的電勢(shì)為pn結(jié)上加外電壓時(shí)，兩式可推廣為線性緩變結(jié)的勢(shì)壘寬度與電壓(VD-V)的立方根成正比，因此，增大反向偏壓時(shí)勢(shì)壘區(qū)變寬。設(shè)pn結(jié)面積為A線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容和結(jié)面積及雜質(zhì)濃度梯度的立方根成正比，因此減小結(jié)面積和降低雜質(zhì)濃度梯度有利于減小勢(shì)壘電容；線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容和(VD-V)的立方根成反比，增大反向電壓，電容將減小。突變結(jié)和線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容，都與外加電壓有關(guān)系，這在實(shí)際當(dāng)中很有用處。一方面可以制成變?nèi)萜骷?；另一方面可以用來測(cè)量結(jié)附近的雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)濃度梯度。(1)測(cè)量單邊突變結(jié)的雜質(zhì)濃度

對(duì)于p+n結(jié)或n+p結(jié)NB:輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度若用實(shí)驗(yàn)作出的關(guān)系曲線由斜率求得輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度從直線的截距，則可求得結(jié)的接觸電勢(shì)差。(2)測(cè)量線性緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度梯度線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容若用實(shí)驗(yàn)作出的關(guān)系曲線由斜率求得雜質(zhì)濃度梯度從直線的截距，則可求得結(jié)的接觸電勢(shì)差。6.3.4擴(kuò)散電容注入到n區(qū)和p區(qū)的非平衡少子分布將上兩式在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積分，可得單位面積擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的載流子總電荷量可得擴(kuò)散區(qū)單位面積的微分電容單位面積總擴(kuò)散電容設(shè)A為pn結(jié)的面積，則pn結(jié)加正向偏壓時(shí)，總的微分?jǐn)U散電容為6.4pn結(jié)擊穿實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)pn結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時(shí)VBR，反向電流密度突然開始迅速增大的現(xiàn)象稱為pn結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓稱為pn結(jié)的擊穿電壓分類：雪崩擊穿隧道擊穿熱電擊穿6.4.1雪崩擊穿當(dāng)反向偏壓很大時(shí)，勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng)在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作用，具有很大的動(dòng)能它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。從能帶觀點(diǎn)來看，就是高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。由于倍增效應(yīng)，使勢(shì)壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從而發(fā)生pn結(jié)擊穿，這就是雪崩擊穿的機(jī)理。6.4.2隧道擊穿（齊納擊穿）隧道擊穿是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。最初是由齊納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，故叫齊納擊穿。當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜；反向偏壓越大，勢(shì)壘越高，勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)也越強(qiáng)．勢(shì)壘區(qū)能帶也越加傾斜，甚至可以使n區(qū)的導(dǎo)帶底比p區(qū)的價(jià)帶頂還低。隨著反向偏壓的增大，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)增強(qiáng)，能帶更加傾斜，Δx變得更短。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定數(shù)值，Δx短到一定程度時(shí)，量子力學(xué)證明，p區(qū)價(jià)帶中的電子通過隧道效應(yīng)穿過禁帶而到達(dá)n區(qū)導(dǎo)帶中。隧道概率是6.4.3熱電擊穿當(dāng)pn結(jié)上施加反向電壓時(shí)，流過pn結(jié)的反向電流要引起熱損耗。反向電壓逐漸增大時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的反向電流所損耗的功率也增大，這將產(chǎn)生大量熱能。如果沒有良好的散熱條件使這些熱能及時(shí)傳遞出去，則將引起結(jié)溫上升。反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，其上升速度很快，因此，隨著結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫上升，反向飽和電流密度增大。如此反復(fù)循環(huán)下去，最后使JS無限增長而發(fā)生擊穿。這種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿，稱為熱電擊穿。對(duì)于禁帶寬度比較小的半導(dǎo)體如鍺pn結(jié)，由于反向飽和電流密度較大，在室溫下這種擊穿很重要。雜質(zhì)濃度低，反向偏壓大，勢(shì)壘寬度增加，隧道長度會(huì)變長，不利于隧道擊穿，但是卻有利于雪崩倍增效應(yīng)，所以在一般雜質(zhì)濃度下，雪崩擊穿機(jī)構(gòu)是主要的。雜質(zhì)濃度較高時(shí)，反向偏壓不高的情況下就能發(fā)生隧道擊穿，由于勢(shì)壘區(qū)寬度小，不利于雪崩倍增效應(yīng)，所以在重?fù)诫s的情況下，隧道擊穿機(jī)構(gòu)變?yōu)橹饕摹?/p>

關(guān)于隧道擊穿和雪崩擊穿的討論6.5pn結(jié)的隧道效應(yīng)兩邊都是重?fù)诫s的pn結(jié)，隧道結(jié)。正向電流開始就隨正向電壓的增加而迅速上升達(dá)到一個(gè)極大值Ip，稱為峰值電流，對(duì)應(yīng)的正向電壓Vp稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達(dá)到一極小值，稱為谷值電流Iv

，對(duì)應(yīng)的電壓Vv稱為谷值電壓。當(dāng)電壓大于谷值電壓后，電流又隨電壓而上升。在Vp到Vv這段電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負(fù)阻這一段電流電壓特性曲線的斜率為負(fù)的，這一特性稱為負(fù)阻特性。反向時(shí)，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加由這種隧道結(jié)制成隧道二極管

隧道結(jié)的伏安特向曲線幾種半導(dǎo)體的伏安特型在簡(jiǎn)并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入了導(dǎo)帶,p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入了價(jià)帶。兩者形成隧道結(jié)后，在沒有外加電壓，處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相等。隧道結(jié)沒有加電壓時(shí),p區(qū)價(jià)帶和n區(qū)導(dǎo)帶雖然具有相同能量的量子態(tài)但是n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相等在結(jié)的兩邊，費(fèi)米能級(jí)以下沒有空量子態(tài)，費(fèi)米能級(jí)以上的量子態(tài)沒有電子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對(duì)