1、第二章 pn結(jié)二極管,pnJunctionDiode,2.2pn結(jié)基本電學(xué)特性,2.2.1直流特性 一、載流子輸運(yùn)即是電流形成過(guò)程 正 偏 （1）內(nèi)電場(chǎng)被削弱，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng) （2）空間電荷區(qū)邊界電子和空穴濃度高于平衡值電子向p區(qū)擴(kuò)散，空穴向n區(qū)擴(kuò)散（稱(chēng)為非平衡少子注入）,一、載流子輸運(yùn)形成電流過(guò)程,（3）非平衡少子邊擴(kuò)散邊與多子復(fù)合， 并在擴(kuò)散長(zhǎng)度處基本被全部復(fù)合。 （4）被復(fù)合多子從外電極提供，構(gòu)成正向（擴(kuò)散）電流 。 非平衡少子擴(kuò)散并被復(fù)合的區(qū)域稱(chēng)為非平衡少子擴(kuò)散區(qū)。,分析正反偏時(shí)電流形成過(guò)程,正偏： V0 ，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)，漂移作用擴(kuò)散作用占優(yōu)，電子、空穴從 區(qū)向 區(qū)擴(kuò)散；電

2、子空穴在勢(shì)壘區(qū) 區(qū)邊界堆積，高于平衡濃度，電子空穴進(jìn)一步從邊界處向 區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散形成 從 區(qū)到 的電子空穴流，總電流為從p區(qū)向n區(qū),當(dāng)V增大，勢(shì)壘區(qū)邊界處少子堆積增多，電流 正偏內(nèi)電場(chǎng)被減弱,正偏載流子輸運(yùn)示意圖,分析反偏時(shí)電流形成過(guò)程,反偏內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng) 載流子漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；空間電荷區(qū)邊界少子濃度低于平衡值；擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)少子向 xm內(nèi)擴(kuò) 散，并在電場(chǎng)作用下漂移進(jìn)對(duì)方； 擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)少子濃度低于平衡值；擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)；產(chǎn)生的多子漂移向電極； 產(chǎn)生的少子向 x m內(nèi)擴(kuò)散，并在電場(chǎng)作用下漂移進(jìn)對(duì)方并漂移向電極形成反向（漂移）電流。,反偏時(shí)載流子輸運(yùn)示意圖,二、理想pn結(jié)模型（四個(gè)假設(shè)

3、）,（1）不考慮勢(shì)壘區(qū)中的產(chǎn)生與復(fù)合 結(jié)果：電子、空穴電流通過(guò)勢(shì)壘區(qū)時(shí)保持不變 （2）小注入 結(jié)果：多子濃度約等于平衡時(shí)濃度，對(duì)少子只需要考慮擴(kuò)散電流 （3）耗盡層近似 結(jié)果：空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，外加電壓幾乎降落在空間電荷區(qū),二、理想pn結(jié)模型,（4）勢(shì)壘區(qū)兩邊界處載流子濃度服從波爾茲曼分布 結(jié)果：,同理,少子濃度規(guī)律,提示： 勢(shì)壘區(qū)一側(cè)邊界處少子濃度等于本側(cè)邊界處平衡時(shí)少子濃度乘以,三、伏安特性方程,1、分析思 路： A.空間電荷區(qū)任一截面的空穴流密度與電子流密度之和相等，即為pn結(jié)的總電流； 分別求出空間電荷區(qū)邊界空穴流密度和電子流密度，二者之和則構(gòu)成pn結(jié)電流密度。 （前面的假設(shè)（1）

4、）,1、分析思路,B.忽略空間電荷區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，即空間電荷區(qū)二側(cè)邊界處電子流密度與空穴流密度各自分別相等； pn結(jié)電流則可用p區(qū)側(cè)邊界電子流與n區(qū)側(cè)邊界空穴流密度之和表示。 (前面的假設(shè)（2）和（3）),1、分析思路,C. 分別求解少子電子和少子空穴在其擴(kuò)散區(qū)的載流子連續(xù)性方程，可得到非 平衡少子電子和非平衡少子空穴在其擴(kuò)散區(qū)的分布函數(shù)； 根據(jù)擴(kuò)散方程，即可求得空間電荷區(qū)p區(qū)側(cè)邊界處的電子流密度，n區(qū)側(cè)邊界處處空穴流密度。,1、分析思路,直流電流方程,取x=x n程,因?yàn)?所以,2、空穴的連續(xù)性方程,空穴在其擴(kuò)散區(qū)內(nèi)連續(xù)性方程,3、非平衡少子的關(guān)系式,求得,同理求得,4、非平衡少子的

5、分布,正偏時(shí)勢(shì)壘區(qū)兩邊界附近少子濃度的變化,4、非平衡少子的分布,反偏時(shí)，V0,公式中 接近0,變?yōu)?變?yōu)?4、非平衡少子的分布,反偏時(shí)勢(shì)壘區(qū)兩邊界附近少子濃度的變化,5、少子的電流密度,那么電子和空穴的電流密度分別為,5、少子的電流密度,6、 pn結(jié)伏安特性方程,pn結(jié)電流密度（伏安特性方程）：,方程對(duì)正偏、反偏pn結(jié)都成立。,6、 pn結(jié)伏安特性方程,若反偏時(shí)V KT/q，那么,稱(chēng)為反向飽和電流，Js 表示。,6、 pn結(jié)伏安特性方程,伏安特性方程又可表示為：,上述電流電壓方程是在Wp Ln，Wn Lp條件下獲得的，Wp和Wn分別為p區(qū)和n區(qū)寬度。對(duì)于薄基區(qū)二極管載流子濃度、電流密度的求解

6、可以用同樣的思路，只是邊界條件不同（參照教材P31頁(yè)）,四、PN結(jié)伏安特性方程的討論,1、電流密度示意圖 正偏時(shí)少子在二極管中擴(kuò)散電流密度示意圖,1、電流密度示意圖,反偏時(shí)少子在二極管中擴(kuò)散電流密度示意圖,2、單向?qū)щ娦耘cI-V特性曲線,正偏時(shí)： 若V0.1V,V電流I(呈指數(shù) 增加)， 取對(duì)數(shù),為直線,為指數(shù)曲線,2、單向?qū)щ娦耘cI-V特性曲線,反偏時(shí)： 若,2、單向?qū)щ娦耘cI-V特性曲線,I-V特性曲線,2、單向?qū)щ娦耘cI-V特性曲線,關(guān)于正向?qū)妷?定義：實(shí)際上是使通過(guò)pn結(jié)電流達(dá)到電路工作時(shí)要求的數(shù)據(jù)范圍（1mA）時(shí)pn結(jié)上的外加電壓。 例子：對(duì)于硅，一般若V=0.7V,I=4.93mA; 要使I1mA，則V0.656V,2、單向?qū)щ娦耘cI-V特性曲線,Pn結(jié)的正向特性曲線,3、pn結(jié)電流與兩邊摻雜濃度的關(guān)系,單邊突變結(jié)： 正向電流 (取決于從n區(qū)到p區(qū)的電子電流) 主要是重?fù)诫s一邊向輕摻雜一邊注入的電流，其中， 反向飽和電流主要取決于輕摻雜情況。,4、I-V特性與半導(dǎo)體材料的關(guān)系,a.不同材料pn結(jié)反向飽和電流差別很大 b.要使電流相同，