半导体物理第六章讲解

第六章pn结§1pn结及其能带图§2pn结的电流电压特性§3pn结电容§4pn结击穿§1pn结及其能带图(1)pn结的形成和杂质分布(2)pn结的基本概念pn结的基本概念①空间电荷区:在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.扩散的结果:在结面附近,出现静电荷--空间电荷(电离施主,电离受主).空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场的方向:n→p.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.Ap-njunctioninthermalequilibriumwithzerobiasvoltageapplied.Electronsandholesconcentrationarereportedrespectivelywithblueandredlines.Grayregionsarechargeneutral.Lightredzoneispositivelycharged.Lightbluezoneisnegativelycharged.Theelectricfieldisshownonthebottom,theelectrostaticforceonelectronsandholesandthedirectioninwhichthediffusiontendstomoveelectronsandholes.APNjunctioninthermalequilibriumwithzerobiasvoltageapplied.Underthejunction,plotsforthechargedensity,theelectricfieldandthevoltagearereported.②平衡pn结及其能带图:当无外加电压,载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消,电荷没有净流动),pn结有统一的EF(平衡pn结)结面附近,存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).③接触电势差:pn结的势垒高度—qVD接触电势差—VD对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为:VD与二边掺杂有关,与Eg有关20000lnlniDApnDnNNqTknnqTkV接触电势差(1)非平衡状态下的pn结(2)理想pn结模型及其电流电压方程(3)影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素§2pn结的电流电压特性(1)非平衡状态下的pn结①外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动holes(+)outofP-sideVappliedissuckingmore:electrons(-)outofN-sideDepletionregionwillbelarger②外加直流电压下，pn结的能带图(2)理想pn结模型及其电流电压方程①理想pn结模型小注入条件；突变耗尽层条件；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；玻耳兹曼边界条件②理想pn结模型电流电压方程求解pn结的电流电压特性定性图象正向偏压下,势垒降低,正向电流随正向电压的增加很快增加.反向偏压下,势垒升高,反向电流很小,并可达到饱和.10TkqvseJJTkqvseJJ0单向导电性整流效应sJJ正向偏压反向偏压⑴pn结电容的来源电容效应pn结有整流效应，但又含破坏整流特性因素---pn结电容低频电压下，pn结起整流作用电压频率增高时，整流特性变坏，甚至没有整流效应讨论pn结的电容特性势垒电容，扩散电容§3pn结电容①势垒电容CT—当pn结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应.当pn结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少；……当pn结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加；……电容效应②扩散电容CD—当pn结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容可忽略pn结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化微分电容:C=dQ/dV⑵突变结的势垒电容①突变结的势垒区中电场、电势分布②突变结的势垒宽度XDpn结的隧道效应隧道效应—能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒.这是一种量子力学效应隧穿几率与势垒的高度有关,与势垒的厚度有关.隧道二极管—利用量子隧穿现象的器件效应隧道结—pn结,两边都是重掺杂(简并情况),以至在p区,EF进入价带;在n区,EF进入导带.结果:①n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上发生交叠②势垒十分薄电子可以隧道贯穿势垒区.JVJpJvVvVp054321隧道结的I-V特性隧道结的I-V特性正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升,达到一个极大,(峰值电流Ip,峰值电压Vp)随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv)在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升在隧道结中,正向电流由两部分组成:扩散电流,隧道电流扩散电流:随正向电压增加而指数增加，但在较低正向电压下，扩散电流很小隧道电流:在较低正向电压下，隧道电流是主要的分析隧道电流随外加电压变化的情况0点—平衡pn结1点—正向电流迅速上升2点—电流达到峰值3点—隧道电流减少,出现负阻4点—隧道电流等于05点—反向电流随反向电压的增加而迅速增加