第六章pn结二极管：IV特性ppt课件.ppt
第六章 pn结6.1 pn 结及其能带图结及其能带图6.2 pn结电流电压特性结电流电压特性6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差*（了解）（了解）据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外种，另外还有还有110个相关的变种个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：所有这些器件都由少数基本模块构成：pn结结金属半导体接触金属半导体接触 MOS结构结构 异质结异质结 超晶格超晶格 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图1 p-n 结的结的形成和杂质分布形成和杂质分布 在一块n型半导体单晶上，用适当的方法（扩散或离子注入）把p型杂质掺入其中，使其在不同的区域形成p型和n型，在二者的交界面处形成了pn结。6.1 pn 结及其能带图结及其能带图pn结二极管的制备结二极管的制备冶金结的位置冶金结的位置杂质浓度随位置的变化曲线杂质浓度随位置的变化曲线 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图理想化的杂质分布近似理想化的杂质分布近似理想化的杂质分布近似理想化的杂质分布近似突变结突变结线性缓变结杂质分布 xxj,N(x)=ND（x)=qax 0 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图2.2.pnpn 结的形成过程和电荷再分配结的形成过程和电荷再分配结的形成过程和电荷再分配结的形成过程和电荷再分配 (a)(a)孤立的孤立的p p型和型和n n型区域型区域（b b）pnpn结接触，结接触，p p区空穴扩散到区空穴扩散到n n区，在区，在p p 区边界剩下区边界剩下N NA A-；n n区电子扩散到区电子扩散到p p区，区，在在n n边界剩下边界剩下N ND D+(c)N(c)NA A-,N,ND D+形成内建电场，方向从形成内建电场，方向从npnp(d)(d)内电场的作用下，载流子漂移内电场的作用下，载流子漂移（e)e)扩散流扩散流=漂移流，总电流为漂移流，总电流为0 0，达到热，达到热 平衡平衡（f)f)空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布 达到稳定。达到稳定。3.pn结热平衡时的能带图结热平衡时的能带图电场从n区指向p区，电势从n区到p区逐渐降低，电子的电势能增加，空间电荷区能带发生弯曲，正是空间电荷区中电势能变化的结果。6.1 pn 结及其能带图结及其能带图方方法法一一方法二平衡pn结中的电势和电势能 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图4.4.pnpn结中电场、电势和电荷分布结中电场、电势和电荷分布结中电场、电势和电荷分布结中电场、电势和电荷分布 内建电势内建电势V Vbi bi：热平衡条件下的耗：热平衡条件下的耗尽区电压称为内建电势，它是一尽区电压称为内建电势，它是一个非常重要的结常数。个非常重要的结常数。6.1 pn 结及其能带图结及其能带图n n势垒高度qVbin n势垒宽度xD=xn+xp 6.1 pn 结及其能带图结及其能带图 5.5.耗尽近似耗尽近似耗尽近似耗尽近似n n耗尽近似是对实际电荷耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似，包含分布的理想近似，包含两个含义：两个含义：n n（1 1）在冶金结附近区）在冶金结附近区域，域，-x xp pxxx xn n,与净杂与净杂质浓度相比，载流子浓质浓度相比，载流子浓度可忽略不计度可忽略不计n n（2 2）耗尽区以外的电）耗尽区以外的电荷密度处处为荷密度处处为0 0。6.1 pn 结及其能带图结及其能带图6.2 pn结电流电压特性结电流电压特性 将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数之间建立定性和定量的关系。数之间建立定性和定量的关系。数之间建立定性和定量的关系。数之间建立定性和定量的关系。6.2.1 6.2.1 定性推导：定性推导：定性推导：定性推导：分析过程，处理方法分析过程，处理方法分析过程，处理方法分析过程，处理方法 6.2.26.2.2定量推导：定量推导：定量推导：定量推导：建立理想模型建立理想模型建立理想模型建立理想模型-写少子扩散方写少子扩散方写少子扩散方写少子扩散方 程，边界条件程，边界条件程，边界条件程，边界条件-求求求求解少子分布函数解少子分布函数解少子分布函数解少子分布函数-求扩散电流求扩散电流求扩散电流求扩散电流-结果分析。分析结果分析。分析结果分析。分析结果分析。分析实际与理想公式的偏差实际与理想公式的偏差实际与理想公式的偏差实际与理想公式的偏差 0偏偏正偏正偏反偏反偏1.热平衡状态热平衡状态6.2.1 定性推导定性推导电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数高能量的电子能越过势垒到达P区，形成扩散流。P区的电子到达n区不存在势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进n区，形成漂移流。热平衡：电子的扩散流=漂移流空穴的情况与电子类似2.加正偏电压加正偏电压势垒高度降低，n型一侧有更多的电子越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成净电子扩散电流IN同理可分析空穴形成扩散电流IP。流过pn结的总电流I=IN+IP。因为势垒高度随外加电压线性下降，而载流子浓度随能级指数变化，所以定性分析可得出正偏时流过pn结的电流随外加电压指数增加。6.2.1 定性推导定性推导正偏时的能带正偏时的能带/电路混合图电路混合图6.2.1 定性推导定性推导 3.3.反向偏置：反向偏置：反向偏置：反向偏置：势垒高度变高，势垒高度变高，n n型一侧几乎型一侧几乎没有电子能越过势垒进入没有电子能越过势垒进入p p区，区，p p区一侧有相同数目的电子进区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入入耗尽层扫入n n区，形成少子区，形成少子漂移流，同理漂移流，同理n n区的空穴漂移区的空穴漂移形成形成I IP P，因与少子相关，所以，因与少子相关，所以电流很小，又因为少子的漂移电流很小，又因为少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。流与外加电压无关。6.2.1 定性推导定性推导反偏时的能带反偏时的能带/电路混合图电路混合图6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导pn结的I-V特性曲线正向偏置下p-n结费米能级反向偏置下p-n结费米能级6.2.2 定量求解方案定量求解方案理想理想p-n结，满足以下条件的结，满足以下条件的p-n结结（1）二极管工作在稳态条件下）二极管工作在稳态条件下（2）杂质分布为非简并掺杂的突变结）杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n 0 -xpxxn (x)=-qNA -xpx0 qND 0 xxn（3）二极管是一维的）二极管是一维的 （4）小注入条件：）小注入条件：p区：区：npp0 n区：区：pnn0(5)忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与复合，故通过复合，故通过 势垒区的电流为常数。势垒区的电流为常数。6.2.1 定性推导定性推导n n方法步骤：（1）扩散方程（2）边界条件（3）求解方程得到少子分布函数表达式（4）由少子分布函数求出流过pn结的电流 6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导6.2.1 定性推导定性推导由由pn结定律得耗尽层的边界条件结定律得耗尽层的边界条件 P区 n区6.2.1 定性推导定性推导边界条件边界条件n n欧姆接触边界条件欧姆接触边界条件6.2.1 定性推导定性推导6.2.3严格推导n区p区6.2.3严格推导正偏时的过剩少子浓度分布正偏时的过剩少子浓度分布6.2.3严格推导6.2.4 结果分析非对称结中，重掺杂一非对称结中，重掺杂一侧的影响较小，可忽略侧的影响较小，可忽略6.2.4 结果分析（4）载流子电流6.2.4 结果分析（4 4）载流子浓度）载流子浓度6.2.4 结果分析0偏偏正偏正偏反偏反偏 讨论题：理想二极管的讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化曲线如何随温度而变化6.2.4 结果分析例题例题2 将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边界10倍和20倍扩散长度的位置热平衡耗尽层边界小注入条件成立：少子在准中性区的分布6.2.4 结果分析6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差击穿Si pn结的I-V特性曲线1。理想理论与实验的比较耗尽层中载流子的复合和产生理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结果符合较好，与Si和GaAs p-n结的实验结果偏离较大。实际p-n结的I-V特性：（1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值，曲线斜率q/2kT（2）正向电流较大时，理论计算值比实验值大（c段）（3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系（4）反向偏压时，实际反向电流比理论计算值大得多，而且 随反向电压的增加略有增加。6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差2 2、反向偏置的击穿、反向偏置的击穿、反向偏置的击穿、反向偏置的击穿n n当反向电流超过允许的最大值（如当反向电流超过允许的最大值（如当反向电流超过允许的最大值（如当反向电流超过允许的最大值（如1mA1mA或或或或1 1 A A）时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压V VBRBR.n n对于对于对于对于p+np+n和和和和n+pn+p突变结二极管中，击穿电压主要由突变结二极管中，击穿电压主要由突变结二极管中，击穿电压主要由突变结二极管中，击穿电压主要由轻掺杂一边的杂质浓度决定轻掺杂一边的杂质浓度决定轻掺杂一边的杂质浓度决定轻掺杂一边的杂质浓度决定6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图雪崩倍增是主要击穿过程6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞，但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格原子“电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿隧穿效应：量子力学中，当势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于10-6cm隧穿过程示意图6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差反向偏置pn结二极管中隧穿过程的示意图6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差n n二极管的耗尽层宽度小于二极管的耗尽层宽度小于1010-6-6cmcm，轻掺杂一侧的，轻掺杂一侧的杂质浓度高于杂质浓度高于10101717cm,cm,齐纳过程比较显著，对应的齐纳过程比较显著，对应的二极管的击穿电压比较小，当二极管的击穿电压比较小，当V VBRBR6E6Eg g/q,/q,齐纳过齐纳过程对二极管的击穿电流有明显贡献，当程对二极管的击穿电流有明显贡献，当V VBRBR4E4Eg g/q,/q,齐纳过程起主导作用。齐纳过程起主导作用。n n雪崩击穿电压随温度升高而增加雪崩击穿电压随温度升高而增加n n齐纳击穿占主导时，击穿电压随温度升高而减小。齐纳击穿占主导时，击穿电压随温度升高而减小。6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差n np-np-n结结平衡时，势垒区复合中心的产生率等于复合率平衡时，势垒区复合中心的产生率等于复合率n n（1 1）反向时，势垒区电场加强，耗尽层中载流子的浓度将会）反向时，势垒区电场加强，耗尽层中载流子的浓度将会下降低于平衡值，导致耗尽层中电子下降低于平衡值，导致耗尽层中电子-空穴的产生，复合中心空穴的产生，复合中心产生的电子、空穴来不及复合就被强电场扫出势垒区，形成产产生的电子、空穴来不及复合就被强电场扫出势垒区，形成产生电流生电流I IG-RG-R,因此增大了反向电流因此增大了反向电流n n I IG-RG-R随反向电压增加而增加，总反向电流随反向电压增加而增加，总反向电流I IR R=I Is s+I+IGG-R-Rn n 势垒区宽度势垒区宽度WW随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区产生的电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加生的电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。3势垒区的产生与复合电流6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差（2 2）在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值，在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值，导致耗尽区载流子的复合。而形成正向复合电流导致耗尽区载流子的复合。而形成正向复合电流I IG-RG-R 总的正向电流密度总的正向电流密度I IF F=I=IR-GR-G+I+IDIFFDIFF。当当V V小时，小时，I IR-GR-G占主要地位（占主要地位（a a段）段）；当；当V V大时，扩散电流占主要地位（大时，扩散电流占主要地位（b b 段）段）（3 3）与材料有关，与温度有关。4正向大注入效应 当正向偏压比较大时，注入的少子浓度可以相当大，当正向偏压比较大时，注入的少子浓度可以相当大，以至以至 p pn n(x(xn n)n nn0n0 p pp p(-x(-xp p)p pp0p0 接近或超过原接近或超过原多子浓度。多子浓度。由于介电驰豫作用，要保持电中性，也由于介电驰豫作用，要保持电中性，也有同样浓度的多子积累：有同样浓度的多子积累：p pn n(x(xn n)=)=n nn n(x(xn n););p pp p(-(-x xp p)=)=n np p(-x(-xp p)注入的非平衡载流子向体内扩散，但注入的非平衡载流子向体内扩散，但由于电子和空穴的扩散系数不同，又破坏了电中性，由于电子和空穴的扩散系数不同，又破坏了电中性，在扩散区内产生自建电场，此自建场一方面阻挡扩散在扩散区内产生自建电场，此自建场一方面阻挡扩散得快的电子运动，同时又加快扩散得慢的空穴的运动，得快的电子运动，同时又加快扩散得慢的空穴的运动，从而使两者的浓度梯度基本保持一致。从而使两者的浓度梯度基本保持一致。6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差n n扩散区内的自建电场的形成，也就使扩散区扩散区内的自建电场的形成，也就使扩散区 内内存在一定的电压降存在一定的电压降V Vp p和和V Vn n,这一电压降实际上这一电压降实际上就使真正落在耗尽区的正向电压就使真正落在耗尽区的正向电压V V减少为减少为V VJ J=V-=V-V Vp p-V-Vn n,从而使正向电流比理想情况下电流小从而使正向电流比理想情况下电流小n n 注入越大，注入越大，V VJ J减小得越厉害，其具体计算可得减小得越厉害，其具体计算可得 I IF F exp(qV/2kT)exp(qV/2kT)6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差n n在在势垒区和扩散区之外的电中性区，实际总存在势垒区和扩散区之外的电中性区，实际总存在一定的串联电阻一定的串联电阻RsRs，因此当外加电压加在因此当外加电压加在p-np-n结之结之后，会有一定的电压降后，会有一定的电压降IRsIRs,所以加在势垒区的电压所以加在势垒区的电压为为V-V-IRsIRs,从而使从而使p-np-n结的正向电流比理想情况减小，结的正向电流比理想情况减小，如果如果RsRs较大，则当电流很大时，较大，则当电流很大时，IRsIRs=V,=V,这时这时p-np-n结结的正向的正向I-VI-V特性就近似于线性了。特性就近似于线性了。n n减小减小RsRs的方法是尽量减小中性区的厚度，外延生的方法是尽量减小中性区的厚度，外延生长结能比较好地解决此问题。长结能比较好地解决此问题。5串联电阻效应6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差6.3 与理想情况的偏差与理想情况的偏差
