第五章 PN 结

第五章PN结PN结的构成PN结的性质——单向导电性电流随电压变化特性反向状态正向状态一部分是N型半导体材料一部分是P型半导体材料EE1.p-n结的形成和杂质分布图5-1p-n结基本结构示意图（1）合金法•把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定的温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n型硅衬底的交界面处即为p-n结（这时称为铝硅合金结）。图5-2合金法制造p-n结过程突变结的杂质分布,(),N(x)jAjDxxNxNxxN图5-3突变结的杂质分布（2）扩散法•右图表示用扩散法制造p-n结（也称扩散结）的过程。它是在n型单晶硅片上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制得的p-n结。其杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在这种结中，杂质浓度从P区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结，扩散法制造p－n结过程扩散结的杂质分布图5－5扩散结的杂质分布（a）扩散结；（b）线性缓变结近似；（c）突变结近似)(jjADxxNN2、空间电荷区电子浓度空穴浓度P型半导体材料中，费密能级在带隙的下半部，接近价带N型和P型材料分别形成两个区——N区和P区——掺杂的N型半导体材料，在杂质激发的载流子范围，电子的浓度远远大于空穴的浓度，费密能级在带隙的上半部，接近导带图5－6p－n结的空间电荷区PN结势垒作用正负载流子在PN结处聚集，在PN结内部形成电场——自建场——势垒阻止N区大浓度的电子向P区扩散——电场对于N区的电子和P区的空穴是一个势垒iE——势垒阻止P区大浓度的空穴向N区扩散平衡PN结——载流子的扩散和漂移运动的相对平衡N区和P区的费密能级不相等，在PN结处产生电荷的积累——稳定后形成一定的电势差P区相对于N区具有电势差——P区电子的能量向上移动且有——半导体中载流子浓度远远低于金属——PN结处形成的电荷空间分布区域约在微米数量级3、P-N结能带图——抵消原来P区和N区电子费密能级的差别4．p-n结接触电势差•平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为p-n的势垒高度。FpFnDEEqV•两式相除取对数得)exp(0TkEEnnBiFnin)exp(0TkEEnnBiFpip)(1ln00FpFnBpnEETknnDnNn0AipNnn/20，200lnln)(1iADBpnBFpFnDnNNqTknnqTkEEqV扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计规律/00DBqVkTPnnne——N区和P区空穴浓度之比TkqVPNBDepp/00——P区和N区电子浓度之比5．p-n结的载流子分布平衡p-n结中电子和空穴浓度分布6、PN结的正向注入当PN结加有正向偏压——P区为正电压电子N区扩散到P区空穴P区扩散到N区外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏——非平衡载流子——PN结的正向注入电子扩散电流密度TkqVPPBenn/0——外加电场使边界处电子的浓度提高倍和比较得到正向注入，P区边界电子的浓度变为边界处非平衡载流子浓度)1(/00TkqVPPPBennn——正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散——非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流边界处非平衡载流子浓度)1(/00TkqVPPPBennnnnTkqVPLDenB)1(/0应用非平衡载流子密度方程边界处电子扩散流密度——电子的扩散系数和扩散长度——正向注入电子在P区边界积累，同时向P区扩散，非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流注入到P区的电子电流密度npjjj)(000NppPnnpLDnLDqj注入到N区的空穴电流密度PN结总的电流密度)1(/0TkqVBej——在N区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡载流子边扩散、边复合形成空穴电流——肖克莱方程(W.Shockley)结果讨论)1(/0TkqVBejj1)当正向电压V增加时，电流增加很快如果N区掺杂浓度远大于P区掺杂浓度——PN结电流中将以电子电流为主2)PN结的电流和N区少子、P区少子成正比正向偏压下势垒的变化图5－13正向偏压下p－n结的费米能级7.PN结的反向抽取N区的空穴一到达边界即被拉到P区P区的电子一到达边界即被拉到N区——PN结方向抽取作用PN加有反向电压势垒变为PN结加有反向偏压——P区为负电压，外电场与自建场方向相同，势垒增高，载流子的漂移运动超过扩散运动——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能漂移过PN结P区边界电子的浓度——反向抽取使边界少子的浓度减小反向电流/00()(1)rBpqVkTnPnnpDDjqnpeLL/0(1)BqVkTjje一般情况下/00()(1)rBpqVkTnPnnpDDjqnpeLL——反向饱和电流扩散速度)(000ppNnnPLpLnqj——P区和N区少数载流子的产生率P区少数载流子——电子的产生率N区少数载流子——空穴的产生率反向电流——PN结附近所产生的少数载流子又有机会扩散到空间电荷区边界的少数载流子形成图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）8·理想p-n结模型及其电流电压方程符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型：•（1）小注入条件即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；•（2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动；•（3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用；•（4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。p－n电流电压方程求解步骤•①根据准费米能级计算势垒区边界nn’及pp’处注入的非平衡少数载流子浓度；•②以边界nn’及pp’处注入的非平衡少数载流子浓度作边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布；•③将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度；•④将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想p-n结模型的电流电压方程式。①根据准费米能级计算势垒区边界nn’及pp’处注入的非平衡少数载流子浓度)exp()exp(TkEEnpTkEEnnBpFiipBinFipp区载流子浓度与准费米能级关系为)exp()()(2TkqVnxpxnBipppp0)(ppppxp200ippnnp)exp()exp()(00TkqVqVnTkqVnxnBDnBppp②扩散区中非平衡少数载流子的分布求解③将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少数载流子的电流密度•在稳定态时，空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程为2020nnxnnppxpnpdpdpdEppDEpdxdxdx小注入时小注入时，dEx／dx项很小可以略去，n型扩散区Ex＝0，故0022pnnnpppdxpdD•这个方程的通解是ppLxLxnnnBeAepxpxp//0)()(•同理，对于注入p区的非平衡少子可以求得pnBLxxTkqVnnneeppxp/)(/00)1()(npBLxxTkqVpppeennxn/)(/00)1()(非平衡少子的分布图5-15非平衡少子的分布（a）正向偏压下；（b）反向偏压下小注入时，扩散区中不存在电场，在nxx处，空穴扩散电流密度为)1()()(/0TkqVpnpxxnpnpBneLpqDdxxdpqDxJ④将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想p-n结模型的电流电压方程式。p-n结电流电压方程的讨论)1(/TkqVsBeJJ)1(/TkqVsBeJJ8、p-n结电容问题的提出：p-n结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。这个因素就是p-n结的电容。一个p-n结在低频电压下，能很好地起整流作用，但是当电压频率增高时，其整流特性变坏，甚至基本上没有整流效应。频率对p-n结的整流作用为什么有影响呢？这是因为p-n结具有电容特性。p-n结为什么有电容特性呢？p-n结电容的大小和什么因素有关呢？这就是本节所要讨论的主要问题。（1）势垒电容（2）扩散电容•（a）平衡p-n结势垒区；•（b）正偏时，势垒区变窄；•（c）正偏时，p-n结载流子变化PN结电容的计算突变结势垒电容公式•①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径；•②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。))((20VVNNNqNACDADDArT)(20VVqNACDBrT线性缓变结的势垒电容•（1）线性缓变结的势垒电容和结面积及杂质浓度梯度的立方根成正比，因此减小结面积和降低杂质浓度梯度有利于减小势垒电容；•（2）线性缓变结的势垒电容和（VD—V）的立方根成反比，增大反向电压，电容将减小。•突变结和线性缓变结的势垒电容，都与外加电压有关系，这在实际当中很有用处。一方面可以制成变容器件；另一方面可以用来测量结附近的杂质浓度和杂质浓度梯度等。3202)(12VVqAdVdQCDrjT10、p-n结击穿图5-18p-n结的击穿1．雪崩击穿图5-19雪崩倍增机构2.隧道击穿（齐纳击穿）图5-20大反向偏压下p-n结的能带图雪崩击穿和隧道击穿的讨论•在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。而后者即杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。(3)．热电击穿•当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。•反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。