半导体物理pn结的形成与能带弯曲ppt课件.ppt

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1、本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。前节要点前节要点本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。pn结的形成与能带弯曲结的形成与能带弯曲本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。热平衡状态下的热平衡状态下的pn结能带结构结能

2、带结构导带导带导带导带价带价带价带价带EFEFECECEVEVn 型半导体型半导体空空间间电电荷荷区区p 型半导体型半导体本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。pn结的接触电势差结的接触电势差+npqVD=EFn-EFp 本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4.2.2 理想状态下的理想状态下的pn结伏安特性结伏安特性 1 1、正偏置、正偏置

3、、正偏置、正偏置pnpn结结结结 1）势垒区的变化与载流子运动）势垒区的变化与载流子运动 外加正向电压外加正向电压U(即即p区接电源正极，区接电源正极，n区接负极区接负极)引入引入与势垒区内建电场方向相反的电场，使势垒区电场强与势垒区内建电场方向相反的电场，使势垒区电场强度降低，空间电荷相应减少。因此，度降低，空间电荷相应减少。因此，正偏置使正偏置使pn结势结势垒区变窄，高度下降，由垒区变窄，高度下降，由qVD变为变为q(VD U)。4.2 pn结的伏安特性结的伏安特性4.2.1 广义欧姆定律广义欧姆定律本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的

4、统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。pn结正向偏置时的载流子运动结正向偏置时的载流子运动本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。2 2）正偏置）正偏置）正偏置）正偏置pnpn结的能带结构结的能带结构结的能带结构结的能带结构正向偏置正向偏置q（VDU）XDEFnEFpqUEFEVpnECXD零偏置零偏置qVDLPLn本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅

5、炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。3 3）正偏置）正偏置）正偏置）正偏置pnpn结的扩散电流结的扩散电流结的扩散电流结的扩散电流正向偏置正向偏置q（VDU）XDEFnEFpqUxpxn总电总电流是通流是通过过pn结结同一截面的同一截面的电电子子电电流与空穴流与空穴电电流之和流之和:或或 若注入电子和空穴在通过势垒若注入电子和空穴在通过势垒区时没有复合，即：区时没有复合，即：jn(xn)=jn(xp)，jp(xn)=jp(xp)则电流密度则电流密度 本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机

6、组可参照本标准执行，并增补指标。因此，正偏置因此，正偏置因此，正偏置因此，正偏置pnpn结的扩散电流结的扩散电流结的扩散电流结的扩散电流求求pn结电流简化为求注入载流子在结电流简化为求注入载流子在势垒区边界势垒区边界的的密度密度 p(xn)和和 n(xp)q（VDU）XDEFnEFpqUxpxn在在xp和和xn处处的少子的少子扩扩散散电电流密度可用流密度可用该该处处的少子密度与的少子密度与扩扩散速度之散速度之积积表示：表示：本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。4 4

7、）注入载流子的密度）注入载流子的密度）注入载流子的密度）注入载流子的密度p 侧边界侧边界 xp 处的电子密度可用处的电子密度可用EFn求解，因为求解，因为EFn比零偏状态比零偏状态升高了升高了qU，即，即xp处的电子密度处的电子密度在正偏压下是零偏压下平衡密在正偏压下是零偏压下平衡密度度np0 的的 exp(qU/kT)倍，即倍，即同理，同理，n侧边侧边界界xn处处的空穴密度的空穴密度于是得：于是得：q（VDU）XDEFnEFpqUxpxn本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并

8、增补指标。5 5）肖克莱方程式）肖克莱方程式）肖克莱方程式）肖克莱方程式理想理想pn结的正向电流电压方程式结的正向电流电压方程式 一般情况下一般情况下qUFkT，所以所以将以上结果代入将以上结果代入得得得得本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。【例题】试计算正偏压下p+n结的注入比。解解：正偏压下正偏压下p+n结的注入比定义为从结的注入比定义为从p区注入到区注入到n区的空穴流密度与从区的空穴流密度与从n区注入到区注入到p区区的电子流密度之比的电子流密度之比。设两边的杂

9、质都已完全电离，即pn0=ni2/ND，np0=ni2/NA，于是得注入比若忽略电子和空穴之间的迁移率之差和扩散长度之差，则近似有pn结的注入比主要取决于结的注入比主要取决于p区与区与n区的掺杂浓度之比，浓度区的掺杂浓度之比，浓度差越大，注入比越大差越大，注入比越大。注入比是器件设计者非常关心的一个参数。譬如在设计双极晶体管的时候，为了保证发射区与基区有较大的注入比，通常要求发射区的掺杂浓度至少比基区高两个数量级以上。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。2 2、反偏

10、置、反偏置、反偏置、反偏置pnpn结结结结反向偏置反向偏置q(VDU)XDqU EFnEFp反偏压使势垒升高，给反偏压使势垒升高，给势垒区边界造成的是少势垒区边界造成的是少数载流子的准费米能级数载流子的准费米能级至其相应能带的距离比至其相应能带的距离比其零偏置情况下的距离其零偏置情况下的距离更大，因而出现少子欠更大，因而出现少子欠缺，而不是象正偏压下缺，而不是象正偏压下那样的少子累积，即少那样的少子累积，即少子扩散区的子扩散区的 n和和 p相对相对其热平衡值为负值。其热平衡值为负值。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、

11、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。（a a）正偏置）正偏置）正偏置）正偏置 （b b）反偏置）反偏置）反偏置）反偏置0 xn,p-xpxnpn0np0pn(x)np(x)0 xn,p-xpxnpn0np0pn(x)pn(xn)np(x)np(-xp)对对 U kT/q的反偏压，的反偏压，n侧扩散区内侧扩散区内 p(x)=-pn0exp(xn-x)/Lp，其值在，其值在x=xn附近趋于附近趋于-pn0，即，即p(x)在扩散区内从在扩散区内从pn0衰衰减至零；同样，减至零；同样，p侧扩散区内侧扩散区内 n(x)也在也在-xp附近趋于附近趋于-np0，即，即n(x)在扩散区内从在

12、扩散区内从np0衰减至零。衰减至零。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。pn结的反向电流（理想状态）结的反向电流（理想状态）本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。势垒区对其外势垒区对其外pn两侧少数载流子的抽取，导致少数载流子两侧少数载流子的抽取，导致少数载流子从从p、n两侧向中间的势垒区方向扩散，与正偏压注入少子两侧向中间的势垒区方向扩散

13、，与正偏压注入少子的扩散方向相反，形成的扩散方向相反，形成pn结的反向电流。结的反向电流。由肖克莱方程式知，当由肖克莱方程式知，当U n np0p0，所以，所以或或本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。3 3、理想、理想、理想、理想pnpn结的伏安特性结的伏安特性结的伏安特性结的伏安特性1、单向导电性、单向导电性2、温度依赖性、温度依赖性 将将JS对对温度的依温度的依赖赖关系表示关系表示为为设设Dn/n与与T成正比成正比 JF对对温度的依温度的依赖赖关系表示关系表示为

14、为本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。根据肖克莱方程式计算的理想根据肖克莱方程式计算的理想pn结伏安特性曲线结伏安特性曲线NA=9 1015/cm3ND=2 1016/cm3n=p=1 sp区 n=500 cm2/(V.s)p=350 cm2/(V.s)n区 n=900 cm2/(V.s)p=300 cm2/(V.s)本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执

15、行，并增补指标。4.2.3 pn结伏安特性对理想状态的偏离结伏安特性对理想状态的偏离 理想化条件：理想化条件：理想化条件：理想化条件：1 1）外加电压完全降落在结区（耗尽近似）；）外加电压完全降落在结区（耗尽近似）；）外加电压完全降落在结区（耗尽近似）；）外加电压完全降落在结区（耗尽近似）；2 2）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性；）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性；）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性；）耗尽区边界突变，边界之外保持电中性；3 3）材料为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计；）材料为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计；）材料为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计；）材料

16、为非简并状态，载流子用玻尔兹曼近似统计；4 4）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度；）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度；）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度；）外加偏压不足以改变电中性区多数载流子的密度；5 5）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压）正偏压下电流通过耗尽区时没有复合损耗，反偏压下电流通过空间电荷区时亦无产生电流加入，即正反向电流下电流通过空间电荷区时亦无产生电流加入，即正反向电流下电流通过空间电荷区时亦无产生电流加入，即正反向电流下电流通过空间电荷区时亦

17、无产生电流加入，即正反向电流完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保持为完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保持为完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保持为完全由少数载流子的扩散引起，在整个耗尽区内各自保持为常数。常数。常数。常数。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。首先理想方程忽略了空间电荷首先理想方程忽略了空间电荷区中载流子的产生与复合对电区中载流子的产生与复合对电流的贡献；流的贡献；其次，理想方程的推导只考虑其次，理想方程的推导只考

18、虑了小注入状态；了小注入状态；第三，理想方程视第三，理想方程视pn结空间结空间电荷区以外的部分不分担外加电荷区以外的部分不分担外加电压，而事实上这些部分的电电压，而事实上这些部分的电阻并不为零，尤其在大电流状阻并不为零，尤其在大电流状态下的压降不可忽略；态下的压降不可忽略；第四，理想方程未考虑界面态第四，理想方程未考虑界面态和表面电场对和表面电场对pn结特性的影结特性的影响。响。本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。被理想状态忽略的被理想状态忽略的pn结反向电流结反向

19、电流空间电荷区中的产生电流空间电荷区中的产生电流本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。1、实际、实际pn结的非饱和反向电流结的非饱和反向电流肖克莱方程式中未考虑反向偏压下势垒区中产生电流对肖克莱方程式中未考虑反向偏压下势垒区中产生电流对反向电流的贡献。反向电流的贡献。若以若以IG表示势垒区的产生电流，以表示势垒区的产生电流，以A表示表示pn结的面积，结的面积，XD表示势垒区宽度，则表示势垒区宽度，则对对ET与与Ei重合，且重合，且rnrpr 的有效复合中心，考虑到势的

20、有效复合中心，考虑到势垒区内垒区内ni n和和p，于是由单，于是由单一中心的复合率公式得势垒一中心的复合率公式得势垒区内的净复合率为区内的净复合率为本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。由是知由是知于是，产生电流于是，产生电流由于势垒区宽度由于势垒区宽度XD随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区随反向偏压的增加而变宽，所以势垒区的产生电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。的产生电流是不饱和的，随反向偏压增加而缓慢地增加。与反向扩散电流与反向扩散电流相比，可知：相比，可知：禁带较宽的半导体，其反向电流中产生电流比重较大。禁带较宽的半导体，其反向电流中产生电流比重较大。2、实际、实际pn结的正向特性（略）结的正向特性（略）本标准适用于已投入商业运行的火力发电厂纯凝式汽轮发电机组和供热汽轮发电机组的技术经济指标的统计和评价。燃机机组、余热锅炉以及联合循环机组可参照本标准执行，并增补指标。作业：4-4、5、7