PN结与二极管原理解析ppt课件.ppt
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1、P-N 结结P-N junction2.1 平衡平衡PN结结2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图能带图2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布2.2 PN结的直流特性结的直流特性2.2.1 PN结的正向特性正向特性2.2.2 PN结的反向特性反向特性2.2.3 PN结的伏安特性2.2.4 影响PN结伏安特性的因素2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度2.4 PN结的击穿特性结的击穿特性2.4.1 击穿机理2.4.2 雪崩击穿雪崩击穿电压2.4.3 影响
2、雪崩击穿电压的因素2.5 PN结的电容效应结的电容效应2.5.1 PN结的势垒电容势垒电容2.5.2 PN结的扩散电容扩散电容2.6 PN结的开关特性结的开关特性2.6.1 PN结的开关作用2.6.2 PN结的反向恢复时间反向恢复时间2.6.3 提高PN结开关速度的途径2.7 金属金属 半导体的整流接触和欧姆接触半导体的整流接触和欧姆接触2.7.1 金属半导体接触的表面势垒表面势垒2.7.2 金属半导体接触的整流效应与肖特基二极管2.7.3 欧姆接触欧姆接触2.1 平衡平衡 PN 结结 在P型半导体型半导体与N型半导体型半导体的紧密接触交界处,会形成一个具有特殊电学性能特殊电学性能过渡区域;
3、平衡PN结就是指没有外加电压电压、光照光照和辐射辐射等 的PN结。 结面基体衬底(外延层)2.1.1 PN结的杂质分布状态结的杂质分布状态合金法 扩散法(主流) 离子注入法 突变结突变结 缓变结 1016/cm31019/cm3结深与突变结相似 2.1.2 平衡平衡PN结的空间电荷区和能带图结的空间电荷区和能带图空穴为少子电子为多子空穴为多子电子为少子接触前接触前 相互接触时,在交界面处存在着电子和空穴的浓度差,各区中的多子多子发生扩散,并复合复合、消耗消耗;1、空间电荷区的形成、空间电荷区的形成空穴电子P区(a)N区(b)PN耗尽层空间电荷区扩散运动方向自建场交界区域就形成了空间电荷区空间电
4、荷区(也叫空间电荷层空间电荷层、耗尽层耗尽层) 空间电荷区中,形成一个自建电场自建电场 电子空穴PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻以带负电的电子为例: 漂移运动 电场力 少子扩散运动 浓度差 多子动态平衡动态平衡两个相反的运动大小相等、方向相反;思考思考:自建电场对各区中的少子发生什么影响?电子空穴由于耗尽层的存在,PN结的电阻很大。?2、能带状态图、能带状态图没有外加电压,费米能级应处处相等;即 :两个区的费米能级拉平 。 各自独立时接触时 电场 电场方向是电势降落的方向; 定义电势能: eqUqE 平衡后能带图是按电子能量的高低画 P区电子的电势能比N区的高 PN结接触电势差 在空间
5、电荷区内,能带发生弯曲,电子从势能低的N区向势能高的P区运动时,必须克服这个势能势能“高坡高坡” PN结势垒 势能坡垒 空间电荷区 UeE3、PN结结 接触电势差接触电势差 For n-type regionFor n-type region0expexpcFnFniciDEEEEnNnNkTkTFor p-type regionFor p-type region0expexpFpviFpviAEEEEpNnNkTkTlnDFniiNEEKTnlnAiFpiNEEKTn即有即有 2lnDADikTN NUqn式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度净杂质浓度; UD和PN结两侧的掺杂浓度、
6、温度、材料的禁带宽度(体现在材料的本征载流子浓度 ni 上)有关。在一定温度下,N区和P区的净杂质浓度越大,即N区和P区的电阻率越低,接触电势差UD越大;禁带宽度越大,ni 越小, UD也越大。DUDU室温下,硅的= 0.70 V,锗的= 0.32 V NA=1017/cm3ND=1015/cm32.1.3 平衡平衡PN结及两侧的载流子浓度分布结及两侧的载流子浓度分布空间电荷区 少子 少子 多子 多子 扩散区分布按指数规律变化 耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽; n:电子 p:空穴 Depletion layer空间电荷区为高阻区,因为缺少载流子;自建电场2.2 PN结的非平衡双向
7、直流特性结的非平衡双向直流特性PN结非平衡状态在PN结上施加偏置(Bias)电压 ;PN结的P区接电源正极区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased),否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased),并假设: P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度; P型区和N型区电阻率足够低,外加电压全部降落在势垒区,势垒区外没有电场; 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,空间电荷区不存在载流子的产生与复合; 不考虑表面的影响,且载流子在PN结中做一维运动; 假设为小注入,即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。 Low-level injection2.2.1 PN结的正向偏置特性结
8、的正向偏置特性 1、正偏能带变化图、正偏能带变化图 E非平衡 平衡时 外加电场 势垒宽度变窄 电场被削弱 势垒高度降低 正偏使势垒区电场削弱,破坏了原来的动态平衡动态平衡,载流子的扩散作用超过超过漂移作用,所以有净扩散电流流过PN结,构成PN结的正向电流正向电流。 EEE/E2、外加多子正向注入效应、外加多子正向注入效应 非平衡不同区的少子浓度分布少子浓度分布 比较:平衡PN结 注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方式运动,即在边界附近积累形成浓度梯度,并向体内扩散,同时进行复合复合,最终形成一个稳态分布。 e e扩散长度 电子 空穴 p两边的多子易通过势垒区电阻很小空穴电子3、
9、正向扩散区边界少子浓度和分、正向扩散区边界少子浓度和分布布空穴扩散区 电子扩散区 平衡被破坏,在扩散区和势垒区,电子和空穴没有统一的费米能级,这时只能用准费米能级准费米能级表示 。 势垒区 0eqUkTPPn Xn0eqUkTNNp Xp两边界的少子分布 非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律指数规律衰减 。准费米能级边界4、正向电流转换和传输、正向电流转换和传输 e比较:平衡PN结 漂移 扩散 复合 扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。PN结内任意截面的电流是连续的。 Forward-active regime正向注入5、PN结的正向电流结的正向电流-电压关系电压关系 ()
10、()()NNPNnPpNIXXXXIXIX处的电子漂移电流处的空穴扩散电流 = 处的电子扩散电流处的空穴扩散电流 =PN结内各处的电流是连续的,则通过PN结的任意截面电流都一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 处的电子电流和空穴电流,就是总的PN结电流:NXN区非平衡少子-空穴的分布函数为:( )(0)epxLp xp 空穴扩散电流密度为:( )( )(0)epxpLpppqDp xjxqDpdxL (0)()(0)pppNpqDjjXpL 其中,负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随 增加而减小,在 处( 的边界处)空穴电流密度为:0 x NXx:pNIX则0()(0
11、)(1)ppNPNpqUpKTNpppDIXAjXqA pLDAqpeLDL =其中:空穴扩散系数 空穴扩散长度同理,把注入P区边界 的非平衡电子的浓度 ,乘以电子的扩散速度 、电量 和PN结的截面积 ,便可以得到在 处注入 区的电子扩散电流 :qPX0(1)qUKTpne0(1)qUnKTnPpnnnDIXAqneLDL 其中:电子扩散系数 电子扩散长度nnDLAPXppNIX()nPpNIXIXPN将和相加,得到结的总电流:00(1)qUpnNpKTnpn DpDIAqeLL000pnNpnpn DpDAqILL若假设0(1)qUKTIIe2200000pnNppininpPnNpApDN
12、OnnnPPPn DpDDnDnAqAqLLPLnLNPNnLDLD因为且,220piniAnDpLnLnIAqNN因此,nppN其中: 区非平衡电子寿命 区非平衡空穴寿命正向电流正向电流-电压关系电压关系 220piniAnDpLnLnIAqNN0(e1)qUkTIII0 是不随外加正偏压而变化的。 在常温(300 K)下,可近似为0eqUkTII即: 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大按指数规律快速增大 重要特性 0eegqUkTqUEkTpnCVpDnAIIqDqDANNL NL N2.2.2 PN结的反向特性结的反向特性 1、反向抽取作用、反向抽取作用反向PN结空间电荷区具有
13、“抽取抽取”少子的作用;电场加强 宽度变宽 平衡 非平衡 e e扩散 扩散 电场反向抽取 势垒加高E/E注入少子 多子 比较:平衡PN结 多子被阻挡无大电流少子做贡献微电流作用电阻很大2、反向边界少子浓度和分布、反向边界少子浓度和分布 20()eqUkTNNp Xp0()eqUkTPPn Xn平衡PN结 由于反向抽取,边界处少子浓度低于平衡值 。 电场加强扩散长度少子少子平衡值反向偏置时,漂移大于扩散少子平衡值少子边界边界边界边界负指数变化PN 0() 0() 0qUKTNPKTUqKTUeqP Xn X由 于 反 向 结 外 加 反 向 偏 压 的 数 值 一 般 比大 很 多 , 即 有,
14、 因 此 , 所 以 边 界 处 的 少 子 浓 度 为 : 反向电流的转换和传输反向电流的转换和传输 本质 e空穴电流空穴电流 电子电流 漂移 扫过 扩散 反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。一般情况下,少子浓度都很小,因而反向电流也很小。 Reverse regime少子少子边界电子电流 空穴电流空穴电流 多子被阻挡边界IR2反向饱和电流反向饱和电流 0I0(e1)TU URII 反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为 为反向饱和电流反向饱和电流, TUkT q随着反向电压U的增大,IR 将趋于一个恒定值 -I0 因 少子浓度与本征载流子浓度成正比,并且随温度升
15、高而快速增大。所以,反向扩散电流对温度十分敏感,随温度升高而快速增大。在300 K时,UT26 mV 这时 PN结处于截止截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻阻值很大值很大, 高达几百千欧以上。令2.2.3 PN结的正、反向结的正、反向V-A特性特性 将PN结的正向特性和反向特性组合起来 正向电流很小 导通电压导通电压UTH(称门槛电压)正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压正常工作区的边界;急剧增大 室温时,锗PN结的导通电压约为0.25 V,硅PN结为0.5 V。 Eg /q 反向饱和电流 图有问题!单向导电性单向导电性 正向电压正向导通;正向注入使边界少数载流子浓度增加很大
16、 ,成指数规律指数规律增加,电流随着电压的增加快速增大; 反向电压反向截止 ;反向抽取使边界少数载流子浓度减少,很快趋向于零,电压增加时电流趋于“饱和饱和” ; IUR正向电阻小 反向电阻大 leakage正向导通,多数载流子扩散电流;反向截止,少数载流子漂移电流;2.2.4 影响影响PN结伏安特性的因素结伏安特性的因素( (简述简述) )V-A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有: 1. 正向PN结空间电荷区复合电流;2. 反向PN结空间电荷区的产生电流;3PN结表面复合和产生电流; 4. 串联电阻的影响;5. 大注入的影响; 大注入(High-level injection)注入
17、的非平衡少子浓度 大于平衡时多子的浓度;6. 温度的影响; 空间电荷的影响分压压降的影响小注入条件被破坏少子的影响增强(本征激发)1. 正向PN结空间电荷区复合电流;正偏时,由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入,载流子浓度高于平衡值;浓度相差很大复合影响不显著浓度相差很大复合影响不显著电子和空穴浓度基本相等复合影响显著复合地点不同 通过空间电荷区复合中心的复合相对较强 2. 反向PN结空间电荷区的产生电流;反偏时,由于空间电荷区对载流子的抽取作用,空间电荷区内载流子浓度低于平衡值,故产生率大于复合率; 产生出来的电子空穴对 产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流; 空间电荷区宽度随着反
18、向偏压的增大而展宽,电荷区的数目增多,产生电流是随反向偏压增大而增大。 3PN结表面复合和产生电流; PN结的空间电荷区被延展、扩大; 表面空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大,跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似。 (1) 表面电荷引起表面空间电荷区表面电荷引起表面空间电荷区 表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和反响的产生电流,表面空间电荷越大,引起的附加的电流反响的产生电流,表面空间电荷越大,引起的附加的电流也就越大。也就越大。界面态的复合和产生作用,也同样由于表面空间电荷界面态的复合和产生作用,也同样由于表面空间电荷
19、区而得到加强,它们对区而得到加强,它们对PN结也将引进附加的复合和产结也将引进附加的复合和产生电流。生电流。 (2) 硅硅 二氧化硅交界面的界面态二氧化硅交界面的界面态 表面沟道电流表面沟道电流 表面漏导电流表面漏导电流 衬底 正电荷较多 形成N型反型层 PN结面积增大,因而反向电流增大。 表面玷污 引起表面漏电 也将产生反向电流增加 ?反偏4. 串联电阻的影响串联电阻的影响PN结的串联电阻(包括体电阻和欧姆接触电阻)RS RS结上电压降 jSUUIR衬底 当电流足够大时,外加电压的增加主要降落在串联电阻上,电流电压特性近似线性关系。 解决办法减小体电阻 0(e1)jTU UII5. 大注入的
20、影响大注入的影响PN+E正向大电流; 注入P区的非平衡少子电子将产生积累; 维持电中性必然要求多子空穴也有相同的积累; 多子空穴存在浓度梯度,使空穴产生扩散,一旦空穴离开,P区的电中性被打破,在P区必然建立起一个电场E,阻止空穴的扩散以维持电中性,该电场为大注入自建电场大注入自建电场。该电场的方向是阻止空穴扩散,但有助于加速电子的扩散。 修正的正向电流:2(2)eqUnikTnAqDnILP相比小注入,相比小注入, 大注入的特点大注入的特点1、大注入时,空穴的电流密度与、大注入时,空穴的电流密度与P区杂质的浓度区杂质的浓度 无关无关 原因:电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的原因:电中性的
21、条件导致空穴的浓度等于少子电子的浓度,出现了空穴的积累。浓度,出现了空穴的积累。2、大注入时,少子电子的扩散系数增加一倍、大注入时,少子电子的扩散系数增加一倍 原因:原因: P区产生自建电场,使少子电子扩散的同时,区产生自建电场,使少子电子扩散的同时,产生漂移产生漂移3、小注入时,电流为、小注入时,电流为 ;大注入时,电流为;大注入时,电流为 原因:电流增大后,电压不完全降落在空间电荷区域,原因:电流增大后,电压不完全降落在空间电荷区域,有一部分降落在有一部分降落在P区区AN/qU KTIe/2qUKTIe6. 温度的影响温度的影响随温度变化的程度,起决定作用的要算 ni I02in3egEk
22、TT随着温度的升高,PN结正、反向电流都会迅速增大。 在室温附近,锗PN结,温度每增加 10,I0 增加一倍; 温度每增加 1,正向导通电压下降 2mV; 硅PN结,温度每增加 6, I0 增加一倍; 温度每增加 1,正向导通电压下降 1mV 。 2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度 采用“耗尽层”近似: 电子空穴 空间电荷区不存在自由载流子,只存在电离施主电离施主和电离受主电离受主的固定电荷; 空间电荷区边界是突变的,边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零。 2.3.1 突变结空间电荷区的突变结空间电荷区的电场电场和宽度和宽度NAPDXNXN平衡时空间电
23、荷区的宽度: Xm = XP + XN 宽度与它们的杂质浓度成反比; 非对称空间电荷区净施主浓度 净受主浓度 结PN电场强度(等于通过单位横截面积的电力线数目)在空间电荷区内各处是不相同的; 平衡时最大场强为 0APMSqN XE 半导体的电容率 空间电荷区交界面 边界 边界 交界面上真空中每库仑电荷发出的电力线数目为:01000()()()( )(1)(0)PAPAsAPMPsPxpxXN q Xx AxN q XPx AxN q Xx AxE xExXX 若设交界面处,则在 区侧从 到的体积中,负电荷的总量为:,那么在 处的电力线数目为: 那么 处的电场为: 在P区00()()()( )(
24、1)(0)NDNDNsDNMPsNXxN q Xx AxN q Xx AxN q Xx AxE xExXX 对于N区侧,在空间电荷区到 的体积中,总的正电荷的总量为:,那么在 处的电力线数目为: 那么 处的电场为: 在N区突变结电场分布 场强最大 场强为零 场强为零 直线的斜率正比于掺杂浓度ss单边突变结若P区和N区的掺杂浓度相差很大;如PN+结,N区掺杂浓度远远大于P区;空间电荷区主要在P区一侧;电场分布+mNPPXXXX宽度主要由低掺杂区N0决定。低掺杂P区12002()SDmUUXN q 对于PN+结,N0=NA对于P+N结,N0=NDN0平衡时非平衡时XN2.3.1 突变结空间电荷区的
25、电场和突变结空间电荷区的电场和宽度宽度以 单边突变结突变结为例子,空间电荷的宽度为:Xm = XP + XN = XP +PNTUdxEUN区与P区的电位差: 数值等于曲线下的三角形面积面积02011221212TMMMPAPMSAPSXXUE XE XqNXqN =12002()SDmUUXN q “+”对应于加反向偏压“ ”对应于加正向偏压 非平衡时平衡时12002()SDmUUXN q TDUUTDUUU突变结空间电荷区 UT = UDU 12002()SDmUUXN q Rewrite外加偏压0ADADN NNNN2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度缓变结空间电荷区的电场和宽度 用
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