PN结与二极管原理

P-N结P-Njunction2.1平衡PN结2.1.1PN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2.1.3平衡PN结的载流子浓度分布2.2PN结的直流特性2.2.1PN结的正向特性2.2.2PN结的反向特性2.2.3PN结的伏安特性2.2.4影响PN结伏安特性的因素2.3PN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2.4PN结的击穿特性2.4.1击穿机理2.4.2雪崩击穿电压2.4.3影响雪崩击穿电压的因素2.5PN结的电容效应2.5.1PN结的势垒电容2.5.2PN结的扩散电容2.6PN结的开关特性2.6.1PN结的开关作用2.6.2PN结的反向恢复时间2.6.3提高PN结开关速度的途径2.7金属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2.1平衡PN结在P型半导体与N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过渡区域；平衡PN结——就是指没有外加电压、光照和辐射等的PN结。结面基体衬底（外延层）2.1.1PN结的杂质分布状态合金法扩散法(主流)离子注入法突变结缓变结1016/cm31019/cm3结深与突变结相似2.1.2平衡PN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，各区中的多子发生扩散，并复合、消耗；1、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（也叫空间电荷层、耗尽层）空间电荷区中，形成一个自建电场电子空穴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——两个相反的运动大小相等、方向相反；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“高坡”——PN结势垒势能坡垒空间电荷区UeE3、PN结接触电势差Forn-typeregion0expexpcFnFniciDEEEEnNnNkTkTForp-typeregion0expexpFpviFpviAEEEEpNnNkTkTlnDFniiNEEKTnlnAiFpiNEEKTn即有2lnDADikTNNUqn式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度；UD和PN结两侧的掺杂浓度、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=0.70V，锗的=0.32VNA=1017/cm3ND=1015/cm32.1.3平衡PN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Depletionlayer空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;自建电场2.2PN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区接电源正极为正向偏置(称正偏forwardbiased)，否则为反向偏置(称反偏reversebiased)，并假设：①P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度；②P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；③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；④不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做一维运动；⑤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-levelinjection2.2.1PN结的正向偏置特性1、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，载流子的扩散作用超过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN结的正向电流。EEE//E2、外加多子正向注入效应非平衡不同区的少子浓度分布比较：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，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、正向扩散区边界少子浓度和分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表示。势垒区0eqUkTPPnXn0eqUkTNNpXp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衰减。准费米能级边界4、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-activeregime正向注入5、PN结的正向电流-电压关系()()()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)epxLpxp空穴扩散电流密度为：()()(0)epxpLpppqDpxjxqDpdxL(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：0xNXx:pNIX则0()(0)(1)ppNPNpqUpKTNpppDIXAjXqApLDAqpeLDL=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)qUKTpne0(1)qUnKTnPpnnnDIXAqneLDL其中：电子扩散系数电子扩散长度nnDLAPXppNIX()nPpNIXIXPN将和相加，得到结的总电流：00(1)qUpnNpKTnpnDpDIAqeLL000pnNpnpnDpDAqILL若假设0(1)qUKTIIe2200000pnNppininpPnNpApDNOnnnPPPnDpDDnDnAqAqLLPLnLNPNnLDLD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-电压关系220piniAnDpLnLnIAqNN0(e1)qUkTIII0是不随外加正偏压而变化的。在常温（300K）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——重要特性0eegqUkTqUEkTpnCVpDnAIIqDqDANNLNLN2.2.2PN结的反向特性1、反向抽取作用——反向PN结空间电荷区具有“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20()eqUkTNNpXp0()eqUkTPPnXn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负指数变化PN0()0()0qUKTNPKTUqKTUeqPXnX由于反向结外加反向偏压的数值一般比大很多，即有，因此，所以边界处的少子浓度为：反向电流的转换和传输本质e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。Reverseregime少子少子边界电子电流空穴电流多子被阻挡边界IR2反向饱和电流0I0(e1)TUURII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，TUkTq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300K时，UT≈26mV这时PN结处于截止状态,呈现的电阻称为反向电阻,其阻值很大,高达几百千欧以上。令2.2.3PN结的正、反向V-A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0.25V，硅PN结为0.5V。Eg/q反向饱和电流图有问题！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，成指数规律增加，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”；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PN结伏安特性的因素(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；3．PN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-levelinjection)——注入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。3．PN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区而得到加强，它们对PN结也将引进附加的复合和产生电流。(2)硅二氧化硅交界面的界面态表面沟道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PN结的串联电阻（包括体电阻和欧姆接触电阻）RSRS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。