第六章 pn結二極管：I-V特性

1、 第六章 pn結6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖6.2 pn結電流電壓特性結電流電壓特性6.3 與理想情況的偏差與理想情況的偏差*（了解）（了解）據(jù)統(tǒng)計：半導體器件主要有據(jù)統(tǒng)計：半導體器件主要有67種，另外種，另外還有還有110個相關的變種個相關的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構成：所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構成： pn結結金屬半導體接觸金屬半導體接觸 MOS結構結構 異質(zhì)結異質(zhì)結 超晶格超晶格 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖1 p-n 結的形成和雜質(zhì)分布結的形成和雜質(zhì)分布 在一塊n型半導體單晶上，用適當?shù)姆椒ǎ〝U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

2、型，在二者的交界面處形成了pn結。 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖冶金結的位置冶金結的位置雜質(zhì)濃度隨位置的變化曲線雜質(zhì)濃度隨位置的變化曲線 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖突變結突變結線性緩變結雜質(zhì)分布 xxj, N(x)=ND（x)=qax 0 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖)exp(0TkEENnFCc)exp(0TkEENpVFv電場從n區(qū)指向p區(qū)，電勢從n區(qū)到p區(qū)逐漸降低，電子的電勢能增加，空間電荷區(qū)能帶發(fā)生彎曲，正是空間電荷區(qū)中電勢能變化的結果。 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖方法一方法一方法二平衡pn結中的電勢和電勢能 6.1 pn 結及其能帶圖結及其

3、能帶圖pideniFsidepFibinipincpcpnbiEEEEqVxExEqxExEqxVxVV)()(1)()(1)()(1)()()ln()ln()ln(12iDAiDiAnNNqkTnNkTnNkTq 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖 6.1 pn 結及其能帶圖結及其能帶圖0偏偏正偏正偏反偏反偏6.2.1 定性推導定性推導電子從n區(qū)擴散到p區(qū)需有足夠的能量克服“勢壘”。只有少數(shù)高能量的電子能越過勢壘到達P區(qū)，形成擴散流。P區(qū)的電子到達n區(qū)不存在勢壘，但是少子，少數(shù)電子一旦進入耗盡層，內(nèi)建電場就將其掃進n區(qū)，形成漂移流。熱平衡：電子的擴

4、散流=漂移流空穴的情況與電子類似2.加正偏電壓加正偏電壓勢壘高度降低，n型一側(cè)有更多的電子越過勢壘進入p區(qū)，p區(qū)一側(cè)有相同數(shù)目的電子進入耗盡層掃入n區(qū)，形成凈電子擴散電流IN同理可分析空穴形成擴散電流IP。流過pn結的總電流I=IN+IP。因為勢壘高度隨外加電壓線性下降，而載流子濃度隨能級指數(shù)變化，所以定性分析可得出正偏時流過pn結的電流隨外加電壓指數(shù)增加。6.2.1 定性推導定性推導正偏時的能帶正偏時的能帶/電路混合圖電路混合圖6.2.1 定性推導定性推導6.2.1 定性推導定性推導反偏時的能帶反偏時的能帶/電路混合圖電路混合圖6.2.1 定性推導定性推導6.2.1 定性推導定性推導pn結的

5、I-V特性曲線正向偏置下p-n結費米能級反向偏置下p-n結費米能級理想理想p-n結，滿足以下條件的結，滿足以下條件的p-n結結 （1）二極管工作在穩(wěn)態(tài)條件下）二極管工作在穩(wěn)態(tài)條件下 （2）雜質(zhì)分布為非簡并摻雜的突變結）雜質(zhì)分布為非簡并摻雜的突變結 p=n 0 -xpxxn (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn （3）二極管是一維的）二極管是一維的 6.2.1 定性推導定性推導6.2.1 定性推導定性推導6.2.1 定性推導定性推導0)(xnp0)(xpn6.2.1 定性推導定性推導 P區(qū) n區(qū)6.2.1 定性推導定性推導邊界條件邊界條件0)(xnp0)(xpn6.2.1 定性推導

6、定性推導6.2.3嚴格推導PAPApPALxkTqVDiPpnpPLxkTqVDinLxLxkTqVDinpnnPeeNnLqDdxpdqDxJeeNnxpeAeAxpeNnxpxpxpdxpdD) 1()() 1()()() 1()0(0)()0(02221222n區(qū)nAnAnnALxkTqVAinnpnnLxkTqVAipLxLxpkTqVAippnppneeNnLqDdxndqDxJeeNnxneAeAxneNnxnxnxndxndD ) 1()() 1()()() 1()0(0)()0 (02 2 21 2 22p區(qū)6.2.3嚴格推導正偏時的過剩少子濃度分布正偏時的過剩少子濃度分布)

7、1)() 1()0() 1()0()222 2kTqVAiNNDippkTqVAiNNNpNkTqVDipppnpAAAeNnLDNnLDqAJAIeNnLDqxJxxJeNnLDqxJxxJ（6.2.3嚴格推導6.2.4 結果分析二極管）（二極管）（倍）管比硅管的飽和電流大（反向飽和電流正向偏置：pnNnLDqAInpNnLDqAIGeNnLDNnLDqAIVkTqIIeIIAiNNDippAiNNDippAkTqVA202062200010)()2()ln()ln() 1 (非對稱結中，重摻雜一非對稱結中，重摻雜一側(cè)的影響較小，可忽略側(cè)的影響較小，可忽略6.2.4 結果分析6.2.4 結果

8、分析6.2.4 結果分析0偏偏正偏正偏反偏反偏 討論題：理想二極管的討論題：理想二極管的I-V曲線如何隨溫度而變化曲線如何隨溫度而變化6.2.4 結果分析熱平衡耗盡層邊界小注入條件成立：少子在準中性區(qū)的分布6.2.4 結果分析擊穿Si pn結的I-V特性曲線1。理想理論與實驗的比較耗盡層中載流子的復合和產(chǎn)生理想電流-電壓方程與小注入下Ge p-n結的實驗結果符合較好，與Si和GaAs p-n結的實驗結果偏離較大。實際p-n結的I-V特性：（1）正向電流小時，實驗值遠大于理論計算值，曲線斜率q/2kT（2）正向電流較大時，理論計算值比實驗值大（c段）（3）正向電流更大時，J-V關系不是指數(shù)關系，而是線性關系（4）反向偏壓時，實際反向電流比理論計算值大得多，而且 隨反向電壓的增加略有增加。P+n和n+p突變結，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關系圖75. 01BBRNV雪崩倍增是主要擊穿過程小的反向電壓時，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”，即引起電子從價帶躍遷到導帶，從而產(chǎn)生電子空穴對。隧穿效應：量子力學中，當勢壘比較薄時，粒子能穿過勢壘到達另一邊。隧穿發(fā)生的兩個條件：1、勢壘一邊有填充態(tài)，另 一邊同能級有未填充態(tài)2、勢壘寬度小于10-6cm隧穿