p-n結(jié)電流電壓特性.ppt

第1頁,2010年12月9日星期四,第六章、 pn結(jié),本章在已知載流子分布以及電場和濃度梯度下載流子運動規(guī)律的前提下，討論PN結(jié)電流電壓特性、電容效應(yīng)、擊穿特性等。 目的：了解半導(dǎo)體器件最基礎(chǔ)單元具有的特性。,第2頁,2010年12月9日星期四,主要內(nèi)容：,1 、熱平衡條件下的p-n結(jié) p-n結(jié)定義及形成 p-n結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場 p-n結(jié)的能帶圖 空間電荷區(qū)中的電場、電位分布 p-n結(jié)接觸電勢差 p-n結(jié)載流子分布,第3頁,2010年12月9日星期四,主要內(nèi)容：,2、p-n結(jié)直流電壓特性 非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié) 理想p-n結(jié)電流電壓方程 影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想電流電壓方程的因素,第4頁,2010年12月9日星期四,3、p-n結(jié)電容 勢壘電容、擴散電容 4、p-n結(jié)擊穿 5、p-n結(jié)隧道效應(yīng),第5頁,2010年12月9日星期四,10、（1）寫出理想PN結(jié)的I-V特性，即電流密度J與電壓V的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標(biāo)系和半對數(shù)坐標(biāo)系中，示意畫出PN結(jié)電流電壓特性曲線。 (2) 在半對數(shù)坐標(biāo)系中的曲線上，如何將正向小電壓下勢壘區(qū)復(fù)合電流和反向電壓下勢壘區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反映在曲線上？簡單解釋之。 (3）如果PN結(jié)電流中，同時考慮擴散電流和復(fù)合電流時，即采用理想因子m，寫出含有理想因子m的J-V特性方程，并描述一種測量m的實驗方法。 (4) 分別分析PN結(jié)加正向偏置和反向偏置，對PN結(jié)邊界處少子濃度的改變，以此論述，PN結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦浴?（2008）（32分）,第6頁,2010年12月9日星期四,8、寫出n型樣品中，小注入條件下，少子空穴的連續(xù)性方程。寫出空穴不隨時間變化時（穩(wěn)態(tài)）、不考慮電場、無光照情況下，少子空穴的方程。（2008） 10、（16分）對于一個PN結(jié)二極管，論述如何判斷加正向電壓后，其電流是以擴散電流為主還是以空間電荷區(qū)復(fù)合電流為主？（2007）,第7頁,2010年12月9日星期四,11、（20分）PN結(jié)的N型一側(cè)摻雜濃度為ND，P型一側(cè)摻雜濃度為NA，采用雜質(zhì)飽和電離近似，證明PN結(jié)的接觸電勢差為： ni是本征載流子濃度 另有一N+N結(jié)，摻雜濃度分別為N+，N，證明此時N+N結(jié)的接觸電勢差為： 比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機理。 （2007）,第8頁,2010年12月9日星期四,10、（24分）一個硅PN結(jié)（T=300K），P區(qū)的摻雜濃度為NA1x1015cm-3，N區(qū)的摻雜濃度ND3 NA，使用雜質(zhì)全部電離和載流子全部耗盡假設(shè)， (1) 計算室溫下PN結(jié)的接觸電勢差VD； (2) 定性畫出PN結(jié)的電場分布、電荷分布。 (3) 若溫度T增加、材料的禁帶寬度Eg增加，VD將分別如何變化？ (4) 若此結(jié)構(gòu)是N+-N結(jié)，即N+區(qū)一側(cè)ND+=3 NA，N區(qū)一側(cè)ND= NA，計算此時的VD。（2006）,第9頁,2010年12月9日星期四,14、寫出理想PN結(jié)的J-V特性關(guān)系公式（肖克萊方程）。并在半對數(shù)坐標(biāo)下（X軸為V，Y軸為ln（J/J0），定性畫出該曲線。若此PN結(jié)為實際的PN結(jié)，應(yīng)做哪些改動？為什么？（2006）,第10頁,2010年12月9日星期四, 6.1 熱平衡條件下的p-n結(jié),1 、熱平衡條件下的p-n結(jié) 1） p-n結(jié)定義及形成 p-n結(jié)：利用合金法、擴散法、離子注入法等，往某一類型半導(dǎo)體的局部區(qū)域摻入不同類型的雜質(zhì)，使不同區(qū)域分別有不同類型的雜質(zhì)，形成不同類型半導(dǎo)體的“接觸”，即為p-n結(jié)。 同一晶格結(jié)構(gòu)中，摻雜不同,第11頁,2010年12月9日星期四,2）雜質(zhì)分布 突變結(jié)：雜質(zhì)濃度由n（p）型突變到 p (n) 型 緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度由n（p）型緩慢變化到 p (n) 型,第12頁,2010年12月9日星期四,2、p-n結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場,第13頁,2010年12月9日星期四,第14頁,2010年12月9日星期四,3、 p-n結(jié)的能帶圖,第15頁,2010年12月9日星期四,熱平衡下PN結(jié)的特點 1. P區(qū)、N區(qū)具有統(tǒng)一的費米能級，EFp= EFn。 2. 有穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，其內(nèi)正負電荷總量相等，使得電場被屏蔽；在空間電荷區(qū)以外，電場為零，仍然保持電中性：NA xTP=ND xTn 3. 由于自建電場的存在，在空間電荷區(qū)中，能帶發(fā)生彎曲.在pn結(jié)兩端存在著一個勢壘，其高度為接觸電勢差VD，,第16頁,2010年12月9日星期四,證明：熱平衡下的PN結(jié)有統(tǒng)一的費米能級。 流過pn結(jié)的總電子電流密度Jn，應(yīng)等于電子的漂移電流密度和擴散電流密度之和，Jn=nqn|E|+qDndn/dx Dnk0Tn /q,第17頁,2010年12月9日星期四,4、空間電荷區(qū)中的電場、電位分布（第三節(jié)電容） 5、p-n結(jié)接觸電勢差 由突變平衡p-n結(jié)的能帶圖，勢壘高度qVD補償了p區(qū)與n區(qū)的費米能級之差,第18頁,2010年12月9日星期四,n區(qū)與p區(qū)的平衡電子濃度分別為： 結(jié)接觸電勢差與摻雜濃度、溫度、禁帶寬度等有關(guān),第19頁,2010年12月9日星期四,6、 p-n結(jié)載流子分布,第20頁,2010年12月9日星期四,問題：摻雜ND，勢壘區(qū)電勢比Ecn高0.1eV處電子的濃度？,第21頁,2010年12月9日星期四,討論：在熱平衡pn結(jié)的空間電荷區(qū)中，雖然電子和空穴的分布都是x的函數(shù)，但二者的乘積仍為ni2，是不隨x變化的。,第22頁,2010年12月9日星期四,熱平衡下載流子濃度與電位能的關(guān)系,即：同一種載流子，如果在空間兩點其電位能的差為E，則其在此兩點的濃度差相差exp(- E/kT) 倍，電位能越高濃度越低。,為什么空間電荷區(qū)電阻大，近似耗盡區(qū)？,第23頁,2010年12月9日星期四,這是波爾茲曼近似的一個直接推論 PN結(jié)接觸電勢差,以電子為例：空間電荷區(qū)兩點x1、x2，其電位分別為V(x1)、V(x2)根據(jù)前面得到的空間電荷區(qū)中的載流子分布規(guī)律有：,第24頁,2010年12月9日星期四,外加電壓落在耗盡區(qū)？,第25頁,2010年12月9日星期四,外加電壓，產(chǎn)生凈擴散流！,第26頁,2010年12月9日星期四,第27頁,2010年12月9日星期四,第28頁,2010年12月9日星期四,第29頁,2010年12月9日星期四,第30頁,2010年12月9日星期四,反向電壓不隨電壓增大而變化？,第31頁,2010年12月9日星期四,三、外加電壓下的能帶圖 此時，pn結(jié)分為： P型電中性區(qū)，電子擴散區(qū)，勢壘區(qū)，空穴擴散區(qū)，n型中性區(qū)。 電子和空穴的準(zhǔn)費米能級分開，不再有統(tǒng)一的費米能級。,第32頁,2010年12月9日星期四,四、理想pn結(jié)模型及其電流電壓方程式 理想pn結(jié)模型： 1、小注入條件 2、突變耗盡層條件 3、通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合。 4、波爾茲曼邊界條件。 問題：如何計算？ 計算電流的方法： 1、計算非平衡載流子濃度，作為邊界條件。 2、求解非平衡載流子的擴散方程，得到擴散區(qū)內(nèi)非平衡少數(shù)載流子的分布。 3、求出擴散電流密度。 4、得到總電流密度方程。,第33頁,2010年12月9日星期四,第34頁,2010年12月9日星期四,在小注入下，p(xTN) 、n(-xTP)較小，(xTN) 、 (-xTP)很小，使得電流中的漂移項遠小于擴散項之值，相比之下，漂移流可以忽略，于是： 求載流子的分布，需要從連續(xù)性方程和流密度方程入手 先求pp處的非平衡少數(shù)載流子濃度,第35頁,2010年12月9日星期四,第36頁,2010年12月9日星期四,空穴的連續(xù)性方程： 連續(xù)性方程變?yōu)椋?第37頁,2010年12月9日星期四,在 p區(qū)邊界pp處，xxp，EFn EFp =qV,所以，,第38頁,2010年12月9日星期四,正向偏置：V一定，勢壘區(qū)邊界處非平衡少數(shù)載流子濃度一定，對擴散區(qū)形成了穩(wěn)定的邊界濃度，非平衡少子按e指數(shù)衰減。 反向偏置時，q|V|kT, Exp(qV/kT)0 pn(x)-p0n,pn(x)=0.,第39頁,2010年12月9日星期四,小注入時，勢壘區(qū)中不存在電場，x=xn時，空穴擴散電流密度為 忽略漂移電流，總電流等于兩邊界處的少子擴散電流之和,第40頁,2010年12月9日星期四,理想pn結(jié)模型的電流