PN结

半导体器件物理第2章PN结第2章PN结2.1PN结的形成及空间电荷区2.2PN结直流V-I特性2.3PN结电容2.4PN结击穿2.1PN结的形成及空间电荷区2.1.1、PN结的形成及类型1、PN结含义：在一块N型（或P型）半导体单晶上，用特定的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶相连的二个不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在二者交界面的过渡区即称为PN结。PNPN结2.1.1、PN结的形成及类型2、PN结的类型(1)、突变结单边突变结P＋N结N＋P结P区N区x杂质浓度xjNAND2.1.1、PN结的形成及类型(2)、缓变结NPx杂质浓度xjND-NA2.1.1、PN结的形成及类型(3)、实际PN结近似缓变PN结附近杂质浓度有两种近似处理方法A。线性缓变结近似B。突变结近似NPx杂质浓度xjND-NA2.1.1、PN结的形成及类型线性缓变结近似适用于表面杂质浓度较低、结深较深的缓变结()jjxxdNxacdxx杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjxαjDAjjNNaxx2.1.1、PN结的形成及类型突变结近似适用于表面杂质浓度较高、结深较浅的缓变结x杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjx2.1.2、空间电荷区空间电荷区形成内建电场内建电场阻止多子扩散载流子浓度差内建电场促使少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区的形成2.1.2、空间电荷区NP空间电荷区XMXNXP空间电荷空间电荷区基本概念：2.1.3、平衡PN结能带图（没有外加偏压）空间电荷区内建电场PNxpxnVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi内建电场内建电势差VD基本概念：形成PN结前形成PN结后平衡PN结有统一的费米能级2.1.3、PN结能带图平衡PN结能带图空间电荷区又称势垒区耗尽层空间电荷区内建电场PNxpxnVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi注意：由“多子”变成“少子”2.1.4、PN结内建电势差求VD:空间电荷区内建电场PNVDqVD势电能势子电带能qVDECEVEFEi0-XpXn2.1.4、PN结内建电势差2lnADDiNNkTVqn式中NA：P区掺杂浓度；ND：N区掺杂浓度ni：本征载流子浓度0.026300kTVTKq对于锗PN结，通常可取VD=0.3—0.4V对于硅PN结，通常可取VD=0.6—0.7V（1）突变结：2.1.5、平衡PN结载流子浓度分布势垒区本征费米能级随x的变化（1）空间电荷区内的载流子浓度（2）空间电荷区边界的少数载流子浓度xqVExEipikTxEEiiFenxnkTExEiFienxpkTqVnnDnpexp00kTqVppDpnexp002.2PN结直流V-I特性（肖克莱方程）非平衡PN结处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结。当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向PN结。反之，则称反向PN结。外加电压基本降落在势垒区2.2.1、正向PN结（1）势垒的变化正向电压使势垒区宽度变窄、势垒高度变低外加电场与内建电场方向相反空间电荷区中的电场减弱破坏扩散与漂移运动间的平衡扩散运动强于漂移运动注入少子注入的少子边扩散边复合正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP2.2.1、正向PN结（2）正向PN结中载流子的运动电流在N型区中主要由电子携带电流在P型区中主要由空穴携带通过PN结的电流在扩散区内实现电流载体转换P区N区jnjpLnLp电子扩散空穴漂移空穴扩散电子漂移PN2.2.2、反向PN结（1）反向PN结的少子抽取反向电压使势垒区宽度变宽势垒高度变高外加电场与内建电场方向相同增强空间电荷区中的电场破坏扩散漂移运动平衡漂移运动强于扩散运动抽取少子LnLpN区P区电子：空穴：P区N区扩散扩散漂移漂移反向偏置时，漂移大于扩散NP2.2.3非平衡PN结的能带图（1）正偏（2）反偏2.2.4、V-I特性方程1、理想PN结模型（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。（2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区以外为电中性区。（3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势垒区的电流密度不变。（4）忽略半导体表面对电流的影响。（5）只考虑一维情况。2.2.4、V-I特性方程2.坐标以xn、xp为坐标原点分别建立坐标系。步骤：①求解“非少子”的扩散方程②→求“非少子”浓度的边界值③→求“非少子”浓度梯度④→分别求电子、空穴的扩散电流密度⑤→求PN结电流2.2.4、V-I特性方程2.2.4、V-I特性方程00exp1exPNNPNp1PppNpnnPnDqVjqpkTLDqVjqnkTL结区边界处少子扩散电流密度：结区边界处少子扩散电流密度：2.2.4、V-I特性方程2.2.4、V-I特性方程/00001AqVkTnpPnPnIIeqDnqDPIALL肖克莱方程反向电流：2.2.4、V-I特性方程单边结近似对于P+N结NAND对于N+P结NDNA2//0FFqVkTqVkTPnPiPPpDqDPqDnIIAeAeLLN2//0FFqVkTqVkTnPninnnAqDnqDnIIAeAeLLN讨论：2.2.5.V-I特性方程的补充（3—5为实际PN结的情况）（1）（2）（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的影响。（4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入自建电场。（5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流JG的影响。（6）当T升高时，JF增大，JR增大。/001()FqVkTPPnenppnNPqDnqDPnWLWLIAFWW2FqVKTFIe与成正比。//00(1)AAqVkTqVkTIIeIe2.3PN结电容PN结电容势垒电容扩散电容2.3.1.势垒电容1、势垒电容的来源当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电、放电，这就是PN结势垒电容。空间电荷区内建电场EP区N区2.3.1.势垒电容2、突变结势垒电容、电场02()()ADTDADqNNCAVVNN3.线性缓边结势垒电容、电场2.3.1.势垒电容0rTDACX2.3.1.势垒电容4、势垒电容的讨论（1）PN结势垒电容和平板电容不同，是非线性电容（2）PN结在正偏，零偏及反偏压下均具有电容效应（3）PN结势垒电容与外加电压有关正偏电压越高，电容越大。反偏电压越高，电容越小。（4）PN结势垒电容与其杂质浓度分布有关（5）由于采用耗尽层近似，反偏下，计算的结果与实际值接近，而正偏下计算的CT则误差较大2.3.2、PN结扩散电容正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为“扩散电容”当PN结外加正向偏压V，在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当V升高，注入的“少子”电荷增多。相当于电容“充电”；当V降低，注入的“少子”电荷减少，相当于电容“放电”。2.3.2、PN结扩散电容x少子浓度分布ΔQspxnNΔQsn-xppnonpoPCT和CD均并接在PN结上，所以PN结的总增量电容Cj为两者之和。Cj=CT+CD当外加正向电压时，CD很大，并且CDCT故Cj以扩散电容为主，Cj≈CD当外加反向电压时，CD趋于零。故Cj以势垒电容为主，Cj≈CT2.4PN结击穿2.4.1、PN结击穿的含义PN结反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加的现象称为“PN结击穿”，这时的电压称为击穿电压（VR）VRIV2.4.2、产生击穿的机制产生击穿的机制热效应隧道效应雪崩效应2.4.2、产生击穿的机制1、雪崩击穿PN结加大的反向偏压载流子从电场获得能量载流子与势垒区晶格碰撞能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子－空穴新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105～106V/cm非破坏性可逆击穿2.4.2、产生击穿的机构2、隧道击穿反向偏压升高P区价带顶高于N区导带底当势垒区宽度较小P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带形成电子空穴对这种效应称“隧道效应”一般：隧道击穿的电压较低，如SiPN结，VB4.5V雪崩击穿的电压较高，如SiPN结，VB6.7V非破坏性可逆击穿P+区N+区势垒区ECEV2.4.2、产生击穿的机构3、热击穿热损耗局部升温电流增加破坏性击穿