pn结讲解

第六章pn结本章主要内容6.1pn结及其能带图；6.2pn结电流、电压特性；6.3pn结电容；6.4pn结击穿特性；6.5pn隧道特性；Pn相关器件认识二极管整流桥主要面向计算机主板、硬盘驱动器、手机充电器、紧急照明以及笔记本电脑的背光照明等应用。蓝紫光半导体太阳能电池LED天花灯LED地灯LED球泡灯LED球泡灯LED射灯LED手电筒LED手电筒LED花园灯第六章PN结一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。6.1PN结及其能带图6.1.1PN结的形成及其杂质分布1.Pn结的形成在一块n型半导体上掺入p型杂质，在交界面上形成pn结.高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度的p型薄层。P型杂质浓度NA,n型杂质浓度ND,特点：交界面浓度发生突变。在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。杂质浓度从p到n逐渐变化，称为缓变结。为杂质浓度梯度。6.1.2pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷（不可移动）。所在的区域为空间电荷区产生漂移电流6.1.3电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp，最后，Pn具有统一费米能级EF,Pn结处于平衡状态。能带发生整体相对移动与pn结空间电荷区中存在内建电场有关。随内建电场(np)不断增大，V(x)不断降低，电子电势能-qV(x)由n到p不断升高P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。直到具有统一费米能级Pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、漂移电流流过。本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致动态平衡时qTkDnn0同理，空穴电流密度为：dxdEkTqDpJFpp0qTkDnn0nnFnJdxdEppFpJdxdE电流密度与费米能级的关系对于平衡的pn结，Jn,Jp均为零，因此，EF=常数当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小，而载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大。dxdEkTqDpJFpp06.1.4VD称为pn结的接触电势差或内建电势差.qVD为pn结的势垒高度.平衡时pn结的费米能级处处相等.qVD=EFn-EFp)exp(00TkEEnniFnin)exp(00TkEEnniFpipnn0、np0分别为平衡时n、p区的电子浓度)(1ln000FpFnpnEETknn)(1ln000FpFnpnEETknnAipDnNnnNn200,qVD=EFn-EFp)(ln)(1000pnFpFnDnnqTkEEqV在一定温度下，掺杂浓度越高，VD越大；ni越小，VD越大势垒高度6.1.5平衡时pn结，取p区电势为零，势垒区一点x的电势V(x)，x点的电势能为E(x)=-qV(x)对非简并材料，x点的电子浓度n(x)，应用第三章计算平衡时导带载流子浓度计算方法因为E(x)=-qV(x)DcncnFcnqVETkEENn),exp(00)exp(00TkEEnnxcnnx当X=Xn时，V(x)=VD,n(x)=nn0当X=-Xp时，V(x)=0,n(-xp)=nn0)exp()(000TkqVnnxnDnppn(-xp)P区的少数载流子浓度。))(exp(00TkqVxqVnDnX点空穴浓度为，))(exp(00TkxqVqVppDnxpn0是平衡时n区的少子浓度当X=Xn时，V(x)=VD,p(xn)=pn0当X=-Xp时，V(x)=0,p(-xp)=pp0)exp()(000TkqVppxpDnpp)exp(000TkqVppDpn平衡时，pn结具有统一的费米能级，无净电流流过pn结。1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与内建电场方向相反，势垒区：载流子浓度很小，电阻很大；势垒外：载流子浓度很大，电阻很小；产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小；载流子扩散流〉漂移流，净扩散流〉0；宽度减小；势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)正向偏移下，非平衡状态N区电子扩散向P区；P区空穴扩散向N区非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中，不断与多子复合，直到复合完毕，这段扩散过程称为扩散长度。一定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp’边界的电子浓度时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。PP’处电子浓度〉P区空穴浓度，形成向P区的电子扩散流。注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界面的总电流是相等的。总电流=扩散电流+漂移电流扩散电流〉漂移电流反向偏移下，非平衡状态外加反向电场与内建势场方向一致。现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；宽度增大；势垒高度升高(高度从qVD升高到q（VD+V)；使漂移电流〉扩散电流少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被势垒区强场驱向p区，p区边界pp’处的电子被驱向n区。反向电流=nn’区少数载流子电流+pp’少数载流子电流2.外加直流电压下，pn结的能带图外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须用准费米能级EFn、EFp代替平衡时的统一费米能级能带特征：1.EFp在p区及势垒区为水平线，在空穴扩散区(nn’到Lp区)为斜线；2.EFn在n区及势垒区为水平线，在电子扩散区(pp’到Ln区)为斜线；EFp、Efn在扩散区为斜线的原因：由于复合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐减小正向偏压下的特征：1.P、n区具有各自的费米能级Efn、Efp；2.有净电流流过pn结；3.正向偏压下，势垒降低qV;4.qV=Efn-Efp；5.Efn位置高于EFP反向偏压下pn结的能带结构能带特征：EFn、EFP也发生了偏离，但EFP位置高于Efn；6.2.2理想pn结模型及其电流、电压方程理想pn结模型：(1)小注入；(2)突变耗尽层条件-外加电压和接触电势差都降落在耗尽层，耗尽层外是电中性的，注入的少数载流子做纯扩散运动；(3)通过耗尽层的电子、空穴电流为常数，忽略耗尽层中载流子的产生及复合作用；(4)玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。1.pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：)exp(0TkEEnniFnip)exp(0TkEEnPFpiip)exp(02TkEEnpnFPFnipp在PP’边界处，x=-xp,qV=Efn-Efp,)exp()()(02TkqVnxpxnipppp2000,)(ipppppnnppxp由于)exp(00TkqVnp)exp()exp()()(00202TkqVpnTkqVxpnxnpippipppp’边界注入的非平衡少数载流子浓度为0)()(pppppnxnxn]1)[exp(00TkqVnp非平衡少数载流子浓度是电压的函数。)exp()(000TkqVnnxnDnpp)exp(00TkqVqVnDn同理，nn’边界注入的非平衡少数载流子浓度为0)()(nnnnnpxpxp]1)[exp(00TkqVpp)exp()exp()(0000TkqVqVpTkqVpxpDpnnn非平衡少数载流子浓度是电压的函数。稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程0022pnnxnnnxppppdxEdpdxpdEdxpdD小注入时很小，可略去。dxEdx/0022pnnpppdxpdDN型扩散区Ex=0连续性方程变为：方程的通解为：)exp()exp()()(0ppnnnLxBLxApxpxp)exp()exp()()(0ppnnnLxBLxApxpxp边界条件：x,pn()=pn0,X=xn,)exp()(00TkqVpxpnnn0),exp(]1)[exp(00BLxTkqVpApnn)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn同理：外加正向偏压下，非平衡少数载流子在两边扩散区的分布)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn讨论：1.非平衡少数载流子浓度一定，在扩散区形成稳定扩散，按指数规律衰减。当V一定，在x=xn和x=-xp边界处2.加反向偏压下，如果qVk0T,0exp(0TkqV对n区：)exp()()(00pnnnnnLxxppxpxp在x=xn处0)(nnpxp0)(xp即在n区内部：xLp处)exp()()(00pnnnnnLxxppxpxp0)exp(pnLxx0)(nnpxp则2.外加偏压下电流密度的关系小注入时，耗尽层外的扩散区不存在电场，在X=Xn处，空穴扩散电流密度为nxxnpnpdxxdpqDxJ)()(]1[exp(00TkqVLpqDpnp同理，在X=-Xp处，电子扩散电流密度为pxxpppndxxdnqDxJ)()(]1[exp(00TkqVLnqDnpn)exp(]1)[exp()(000pnnnnLxxTkqVppxp)exp(]1)[exp()(000nppppLxxTkqVnnxn理想PN结，忽略势垒区内的复合-产生作用，通过pp’界面的空穴电流密度为Jp(-xp)=通过nn’’界面的空穴电流密度为Jp(xn);通过pn结的总的电流密度为JJ=Jn(-xp)+Jp(-xp)=Jn(-xp)+Jp(xn)]1[exp()(00TkqVLpqDxJpnpnp]1[exp()(00TkqVLnqDxJnpnpn]1)[exp((000TkqVLpqDLnqDJpnpnpp]1)[exp((000TkqVLpqDLnqDJpnpnpp)(00pnpnppsLpqDLnqDJ令]1[exp(0TkqVJJs理想pn结的电压-电流方程，又称为肖克莱方程。3.Pn结的单向导电性]1[exp(0TkqVJJs正向偏压下，电流密度随电压V指数式迅速增大室温下，k0T=0.026V,1exp(0TkqV)exp(0TkqVJJs故反向偏压下，V0,当qVk0T时，0exp(0TkqVsJJ故)(00pnpnppLpqDLnqD反向电流密度为常量，与外加电压无关，-Js为反向饱和电流密度4.温度对电流密度的影响反向电流密度：正向电流密度：正向电流密度随温度升高而增加前面的温度项温度升高缓慢增加，后项随温度升高迅速增大6.2.3影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素实验表明，理想电流电压特性方程和小注入下锗pn结的实验结果较符合；但与硅pn结实验结果偏离较大。偏离方面：1.正向偏压:正向电流小时，理论值实验值；正向电流大时，指数形式2.反向偏压反向电流理论值，反向电流不饱和，而是随反向偏压增大而略有增大引起偏离的原因1.势垒区产生电流平衡时，势垒区产生率=复合率反向偏压时，势垒区内电场加强，由于热激发作用，复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被电场驱走了。使势垒区产生率〉复合率。产生附加的反向电流IG,设净产生率为G,结面积A,势垒宽度XD,IG=qGXDA势垒区内势垒区内净的复合率净的复合率U=-G由于IG=qGXDA2.势垒区产生电流正向偏压时，注入到P区电子与N区的空穴在势垒区内复合，构成正向复合电流。假定复合中心与本征费米能级重合，令rp=rn=r)exp(02TkqVnnpDi设势垒区n=p总的正向电流密度JF=扩散电流JFD+复合电流Jr)exp(0TmkqVJF