第六章pn結(jié)二極管：IV特性ppt課件

1、第六章 pn結(jié),6.1 pn 結(jié)及其能帶圖 6.2 pn結(jié)電流電壓特性 6.3 與理想情況的偏差*（了解,據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外 還有110個(gè)相關(guān)的變種 所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成： pn結(jié) 金屬半導(dǎo)體接觸 MOS結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié) 超晶格,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,1 p-n 結(jié)的形成和雜質(zhì)分布,在一塊n型半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ〝U(kuò)散或離子注入）把p型雜質(zhì)摻入其中，使其在不同的區(qū)域形成p型和n型，在二者的交界面處形成了pn結(jié),6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,pn結(jié)二極管的制備,冶金結(jié)的位置,雜質(zhì)濃度隨位置的變化曲線,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,理想化的雜質(zhì)分布近似,突變結(jié),線

2、性緩變結(jié),雜質(zhì)分布 xxj, N(x)=ND,x)=qax 0,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,2. pn 結(jié)的形成過程和電荷再分配,a)孤立的p型和n型區(qū)域 （b）pn結(jié)接觸，p區(qū)空穴擴(kuò)散到n區(qū)，在p 區(qū)邊界剩下NA-；n區(qū)電子擴(kuò)散到p區(qū)， 在n邊界剩下ND+ (c) NA-,ND+形成內(nèi)建電場(chǎng)，方向從np (d) 內(nèi)電場(chǎng)的作用下，載流子漂移 （e) 擴(kuò)散流=漂移流，總電流為0，達(dá)到熱 平衡 （f)空間電荷區(qū)寬度一定，空間電荷的分布 達(dá)到穩(wěn)定,3. pn結(jié)熱平衡時(shí)的能帶圖,電場(chǎng)從n區(qū)指向p區(qū)，電勢(shì)從n區(qū)到p區(qū)逐漸降低，電子的電勢(shì)能增加，空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，正是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果,6

3、.1 pn 結(jié)及其能帶圖,方法一,方法二,平衡pn結(jié)中的電勢(shì)和電勢(shì)能,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,4. pn結(jié)中電場(chǎng)、電勢(shì)和電荷分布,內(nèi)建電勢(shì)Vbi：熱平衡條件下的耗盡區(qū)電壓稱為內(nèi)建電勢(shì)，它是一個(gè)非常重要的結(jié)常數(shù),6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,勢(shì)壘高度qVbi 勢(shì)壘寬度xD=xn+xp,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,5.耗盡近似,耗盡近似是對(duì)實(shí)際電荷分布的理想近似，包含兩個(gè)含義： （1）在冶金結(jié)附近區(qū)域，-xpxxn,與凈雜質(zhì)濃度相比，載流子濃度可忽略不計(jì) （2）耗盡區(qū)以外的電荷密度處處為0,6.1 pn 結(jié)及其能帶圖,6.2 pn結(jié)電流電壓特性,將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理，器件參數(shù)之間建立

4、定性和定量的關(guān)系。 6.2.1 定性推導(dǎo)： 分析過程，處理方法 6.2.2定量推導(dǎo)： 建立理想模型-寫少子擴(kuò)散方 程，邊界條件-求解少子分布函數(shù)-求擴(kuò)散電流-結(jié)果分析。分析實(shí)際與理想公式的偏差,0偏,正偏,反偏,1.熱平衡狀態(tài),6.2.1 定性推導(dǎo),電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)需有足夠的能量克服“勢(shì)壘”。只有少數(shù)高能量的電子能越過勢(shì)壘到達(dá)P區(qū)，形成擴(kuò)散流。 P區(qū)的電子到達(dá)n區(qū)不存在勢(shì)壘，但是少子，少數(shù)電子一旦進(jìn)入耗盡層，內(nèi)建電場(chǎng)就將其掃進(jìn)n區(qū)，形成漂移流。 熱平衡：電子的擴(kuò)散流=漂移流,空穴的情況與電子類似,2.加正偏電壓,勢(shì)壘高度降低，n型一側(cè)有更多的電子越過勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)，p區(qū)一側(cè)有相同數(shù)目的電子進(jìn)

5、入耗盡層掃入n區(qū)，形成凈電子擴(kuò)散電流IN 同理可分析空穴形成擴(kuò)散電流IP。 流過pn結(jié)的總電流I=IN+IP。 因?yàn)閯?shì)壘高度隨外加電壓線性下降，而載流子濃度隨能級(jí)指數(shù)變化，所以定性分析可得出正偏時(shí)流過pn結(jié)的電流隨外加電壓指數(shù)增加,6.2.1 定性推導(dǎo),正偏時(shí)的能帶/電路混合圖,6.2.1 定性推導(dǎo),3.反向偏置： 勢(shì)壘高度變高，n型一側(cè)幾乎沒有電子能越過勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)，p區(qū)一側(cè)有相同數(shù)目的電子進(jìn)入耗盡層掃入n區(qū)，形成少子漂移流，同理n區(qū)的空穴漂移形成IP，因與少子相關(guān)，所以電流很小，又因?yàn)樯僮拥钠婆c勢(shì)壘高度無關(guān)，所以反向電流與外加電壓無關(guān),6.2.1 定性推導(dǎo),反偏時(shí)的能帶/電路混合圖,6.

6、2.1 定性推導(dǎo),6.2.1 定性推導(dǎo),pn結(jié)的I-V特性曲線,正向偏置下p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí),反向偏置下p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí),6.2.2 定量求解方案,理想p-n結(jié)，滿足以下條件的p-n結(jié) （1）二極管工作在穩(wěn)態(tài)條件下 （2）雜質(zhì)分布為非簡(jiǎn)并摻雜的突變結(jié) p=n0 -xpxxn (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn （3）二極管是一維的,4）小注入條件：p區(qū)：npp0 n區(qū)：pnn0 (5) 忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復(fù)合，即認(rèn)為電子、空穴通過勢(shì)壘區(qū)所需時(shí)間很短，來不及產(chǎn)生與復(fù)合，故通過 勢(shì)壘區(qū)的電流為常數(shù),6.2.1 定性推導(dǎo),方法步驟： （1）擴(kuò)散方程 （2）邊界條件 （3）求解方程得到

7、少子分布函數(shù)表達(dá)式 （4）由少子分布函數(shù)求出流過pn結(jié)的電流,6.2.1 定性推導(dǎo),6.2.1 定性推導(dǎo),6.2.1 定性推導(dǎo),由pn結(jié)定律得耗盡層的邊界條件,P區(qū),n區(qū),6.2.1 定性推導(dǎo),邊界條件,歐姆接觸邊界條件,6.2.1 定性推導(dǎo),6.2.3嚴(yán)格推導(dǎo),n 區(qū),p 區(qū),6.2.3嚴(yán)格推導(dǎo),正偏時(shí)的過剩少子濃度分布,6.2.3嚴(yán)格推導(dǎo),6.2.4 結(jié)果分析,非對(duì)稱結(jié)中，重?fù)诫s一側(cè)的影響較小，可忽略,6.2.4 結(jié)果分析,4）載流子電流,6.2.4 結(jié)果分析,4）載流子濃度,6.2.4 結(jié)果分析,0偏,正偏,反偏,討論題：理想二極管的I-V曲線如何隨溫度而變化,6.2.4 結(jié)果分析,例題

8、2,將電壓VA=23.03kT/q 加在一個(gè)突變二極管上，且二極管n型和批p型區(qū)雜質(zhì)濃度為NA=1017cm3和ND=1016cm3.畫出器件準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的多數(shù)和少數(shù)載流子濃度的log（p,n)與x的關(guān)系圖。在你的圖中確定出離耗盡層邊界10倍和20倍擴(kuò)散長(zhǎng)度的位置,熱平衡,耗盡層邊界,小注入條件成立,少子在準(zhǔn)中性區(qū)的分布,6.2.4 結(jié)果分析,6.3 與理想情況的偏差,擊穿,Si pn結(jié)的I-V特性曲線,1。理想理論與實(shí)驗(yàn)的比較,耗盡層中載流子的復(fù)合和產(chǎn)生,理想電流-電壓方程與小注入下Ge p-n結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好， 與Si和GaAs p-n結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離較大。 實(shí)際p-n結(jié)的I-V特性：

9、（1）正向電流小時(shí)，實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，曲線斜率q/2kT （2）正向電流較大時(shí)，理論計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值大（c段） （3）正向電流更大時(shí)，J-V關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系 （4）反向偏壓時(shí)，實(shí)際反向電流比理論計(jì)算值大得多，而且 隨反向電壓的增加略有增加,6.3 與理想情況的偏差,2、反向偏置的擊穿,當(dāng)反向電流超過允許的最大值（如1mA或1A）時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓的絕對(duì)值稱為擊穿電壓VBR. 對(duì)于p+n和n+p突變結(jié)二極管中，擊穿電壓主要由輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度決定,6.3 與理想情況的偏差,P+n和n+p突變結(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系圖,雪崩倍增是主要擊穿過程,6.3 與理想情況

10、的偏差,雪崩擊穿和齊納擊穿,小的反向電壓時(shí)，載流子穿過耗盡層邊加速邊碰撞，但傳遞給晶格的能量少。大的反向電壓碰撞使晶格原子“電離”，即引起電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì),6.3 與理想情況的偏差,齊納擊穿,隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘比較薄時(shí)，粒子能穿過勢(shì)壘到達(dá)另一邊。 隧穿發(fā)生的兩個(gè)條件： 1、勢(shì)壘一邊有填充態(tài)，另 一邊同能級(jí)有未填充態(tài) 2、勢(shì)壘寬度小于10-6cm,隧穿過程示意圖,6.3 與理想情況的偏差,反向偏置pn結(jié)二極管中隧穿過程的示意圖,6.3 與理想情況的偏差,二極管的耗盡層寬度小于10-6cm，輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度高于1017cm,齊納過程比較顯著，對(duì)應(yīng)的二極管的擊穿

11、電壓比較小，當(dāng)VBR6Eg/q,齊納過程對(duì)二極管的擊穿電流有明顯貢獻(xiàn)，當(dāng)VBR4Eg/q,齊納過程起主導(dǎo)作用。 雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增加 齊納擊穿占主導(dǎo)時(shí)，擊穿電壓隨溫度升高而減小,6.3 與理想情況的偏差,p-n結(jié)平衡時(shí)，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合中心的產(chǎn)生率等于復(fù)合率 （1）反向時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)加強(qiáng)，耗盡層中載流子的濃度將會(huì)下降低于平衡值，導(dǎo)致耗盡層中電子-空穴的產(chǎn)生，復(fù)合中心產(chǎn)生的電子、空穴來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)掃出勢(shì)壘區(qū)，形成產(chǎn)生電流IG-R, 因此增大了反向電流 IG-R隨反向電壓增加而增加，總反向電流IR=Is+IG-R 勢(shì)壘區(qū)寬度W隨反向偏壓的增加而變寬，所以勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電流是不飽和的，隨反向偏

12、壓增加而緩慢地增加,3勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合電流,6.3 與理想情況的偏差,2）在正向偏壓時(shí)，耗盡層內(nèi)的載流子濃度高于其熱平衡值，導(dǎo)致耗盡區(qū)載流子的復(fù)合。而形成正向復(fù)合電流IG-R 總的正向電流密度IF= IR-G+IDIFF。 當(dāng)V小時(shí)，IR-G占主要地位（a段）；當(dāng)V大時(shí)，擴(kuò)散電流占主要地位（b 段） （3,與材料有關(guān)，與溫度有關(guān),4正向大注入效應(yīng),當(dāng)正向偏壓比較大時(shí)，注入的少子濃度可以相當(dāng)大，以至 pn(xn) nn0 pp(-xp)pp0 接近或超過原多子濃度。 由于介電馳豫作用，要保持電中性，也有同樣濃度的多子積累： pn(xn)= nn(xn) ; pp(-xp)= np(-xp) 注入的非平衡載流子向體內(nèi)擴(kuò)散，但由于電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)不同，又破壞了電中性，在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生自建電場(chǎng)，此自建場(chǎng)一方面阻擋擴(kuò)散得快的電子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又加快擴(kuò)散得慢的空穴的運(yùn)動(dòng)，從而使兩者的濃度梯度基本保持一致,6.3 與理想情況的偏差,擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的自建電場(chǎng)的形成，也就使擴(kuò)散區(qū) 內(nèi)存在一定的電壓降Vp和Vn ,這一電壓降實(shí)際上就使真正落在耗盡區(qū)的正向電壓V減少為VJ=V-Vp-Vn,從而使正向電流比理想情況下電流小 注入越大，VJ減小得越厲害，其具體計(jì)算可得 IFexp(qV/2kT,6.3 與理想情況的偏差,在勢(shì)壘區(qū)和