第2章_2_PN结.ppt

2.3.1 平衡状态下的pn结 PN结示意图及二极管表示符号 1.空间电荷区的形成 PN结在平衡状态下，在N型半导体中电子是多子，空穴是少子，在P型半导体中空穴是多子，电子是少子 当形成PN结后，其交界面两侧的电子和空穴浓度存在较大差异，这就导致P型区的空穴向N型区扩散，N型区的电子向P型区扩散。P区边界处因只剩下失去了空穴的离化受主杂质而带负电，N区边界处因只剩下失去了电子的离化施主杂质而带正电，这些离化的杂质位于晶格之中不能运动，它们就在P 结附近形成了一个带电区域，称为空间电荷区。 由空间电荷区形成的电场称为自建电场，方向由N区指向P区。 载流子进行漂移运动，方向与扩散运动方向相反，随着不断扩散，两个运动都增强，直到完全相互抵消，达到平衡状态。 此时的载流子分布如图所示。 2.势垒区 自建场的建立,必然形成相应的电位分布,电位分布与位置有关,在空间电荷区两侧的中性区,电位是常数.取P区电位为参考点,则N区将呈现正电位。 两边电位差VD称为接触电势差。 ND为空间电荷区N型一侧边界处施主杂质浓度，NA为空间电荷区P型一侧边界处受主杂质浓度，因此接触电势差的大小与PN结两侧掺杂浓度有关。一般硅PN结的VD为0.6V，锗PN结的VD为0.3V。 由于在PN结中形成了电位分布，导带中的电子在不同的电位处有不同的能量(-qV)。与此相对应的是导带将不再水平，而是在原来的基础上叠加一个(-qV(x))，这就使能带发生了弯曲，如下图所示。 P区中导带电子比N区中电子势能高qVD，也就是说势能低的N区电子必须克服这个势垒才能到达势能高的P区，因此空间电荷区又称为势垒区. 3 耗尽层 由于在空间电荷区中,载流子非常少,大多数是已电离的杂质原子,可以认为空间电荷区中载流子已完全耗尽,,故形象地称为耗尽层. 空间电荷区=势垒区=耗尽区 有一个硅二极管P区和N区的掺杂浓度均为1?1016个原子/cm3,求接触电势差 如果是锗 2.3.2 pn结的单向导电性 空间电荷区中电场减小后,就削弱了漂移运动,从而破坏了载流子原来扩散运动和漂移运动的平衡,使扩散电流大于漂移电流. 在外正向电压作用下,电子从N区向P区,空穴从P区向N区分别形成净扩散流. 此时进入P区的电子流和进入N区的空穴流都是相应区域中的少数载流子,使区域中的少数载流子高于平衡时的数值,它们是非平衡少数载流子. 由于现在进入半导体中的非平衡载流子是外加电压作用的结果,因此称为电注入. 2.反向偏压作用 这样空间电荷区中N区一侧边界xn处的空穴被强电场驱向P区，使该处少子空穴浓度低于N区内部少子空穴浓度，形成浓度差，因此N区内部空穴就会通过扩散运动前来补充， 但一旦扩散到xn处又 立即被强电场拉到P区。 如同该处少子被不断 抽出，又称为少数载 流子的抽出或吸出。 P区中的电子情况与此 类似 由于少子浓度很低，扩散长度为一定值，所以当反偏时空间电荷区边界处少子梯度较小，相应的反向电流也小。 当反向电压很大时，空间电荷区边界处少子浓度趋于零后不再变化，该处少子浓度梯度趋于常数，电流就基本保持不变。 所以PN结反偏时表现为电流较小，而且随外加电压的增加电流趋于饱和。 2.3.3 理想pn结模型及其伏-安特性 1.理想pn结模型 （1）小注入 （2）耗尽层近似 （3）不考虑耗尽层中的载流子产生和复合作用 （4）耗尽层边界处载流子浓度满足玻尔兹曼分布。 （2） 理想伏安特性 在理想PN结模型下，解半导体方程，可得到下面的公式： （3） PN结的单向导电性 在室温下，(kT/q)=0.026V，若外加正向偏压V比(kT/q)大很多时，电流和电压有近似指数关系。 当V为反偏时，V为负值，若外加反向偏压绝对值V比(kT/q)大很多时，有I≈-IS 说明电流近似为常数，呈饱和状态，因此Is称为饱和电流。即PN结具有单向导电性。 (4)单边突变PN结 单边突变PN结：一边的掺杂浓度远大于另一边的掺杂浓度。 如NPN三极晶体管中，发射极的掺杂浓度远大于作为基区的P区的掺杂浓度，记作N+P。 在这种情况下，N区中的多子nn0远大于P区多子空穴浓度pp0，因此N区中的平衡少子pn0远小于P区平衡少子浓度np0，则有 2 实际的伏安特性 N称为发射系数，N=1~2 硅二极管的反向饱和电流为nA级（室温） 锗二极管的反向饱和电流为uA级（室温） IS随温度变化而变化，成正比 每上升10℃,增加一倍电流 2.3.4 pn结电容 PN结在交流条件下呈现出电容效应，限制了PN结的高频应用。 1. pn结势垒电容 （1）pn结势垒电容定性分析 随着外界电压的变化，出现了载流子电荷在势垒区中的存入和取出，此现象相当于一个电容的充放电。这种与势垒区相联系的电容称为势垒电容，记为C