第六章 pn結(jié)二極管：I-V特性

1、 第六章 pn結(jié)6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖6.2 pn結(jié)電流電壓特性結(jié)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(guān)的變種個相關(guān)的變種所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成：所有這些器件都由少數(shù)基本模塊構(gòu)成： pn結(jié)結(jié)金屬半導體接觸金屬半導體接觸 MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 超晶格超晶格 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖1 p-n 結(jié)的形成和雜質(zhì)分布結(jié)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(jié)。 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖冶金結(jié)的位置冶金結(jié)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(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖突變結(jié)突變結(jié)線性緩變結(jié)雜質(zhì)分布 xxj, N(x)=ND（x)=qax 0 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)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(jié)果。 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖方法一方法一方法二平衡pn結(jié)中的電勢和電勢能 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其

3、能帶圖pideniFsidepFibinipincpcpnbiEEEEqVxExEqxExEqxVxVV)()(1)()(1)()(1)()()ln()ln()ln(12iDAiDiAnNNqkTnNkTnNkTq 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖 6.1 pn 結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖6.2 pn結(jié)電流電壓特性結(jié)電流電壓特性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

4、其掃進n區(qū)，形成漂移流。熱平衡：電子的擴散流=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(jié)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(jié)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

5、推導6.2.1 定性推導定性推導pn結(jié)的I-V特性曲線正向偏置下p-n結(jié)費米能級反向偏置下p-n結(jié)費米能級理想理想p-n結(jié)，滿足以下條件的結(jié)，滿足以下條件的p-n結(jié)結(jié) （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(jié)）雜質(zhì)分布為非簡并摻雜的突變結(jié) 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 （4）小注入條件：）小注入條件：p區(qū)：區(qū)： npp0 n區(qū)：區(qū)： pnn0(5) 忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復合，即認為電子、忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復合，即認為電子、空穴通過勢壘區(qū)所需時間很短，來不及產(chǎn)生

6、與空穴通過勢壘區(qū)所需時間很短，來不及產(chǎn)生與復合，故通過復合，故通過 勢壘區(qū)的電流為常數(shù)。勢壘區(qū)的電流為常數(shù)。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 定性推導定性推導6.2.3嚴格推導PAPApPALxkTqVDiPpnpPLxkTqVDinLxLxkTqVDinpnnPeeNnLqDdxpdqDxJeeNnxpeAeAxpeNnxpxpxpdxpdD) 1()() 1()()() 1()0(0)()0(022

7、21222n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) 1)() 1()0() 1()0()222 2kTqVAiNNDippkTqVAiNNNpNkTqVDipppnpAAAeNnLDNnLDqAJAIeNnLDqxJxxJeNnLDqxJxxJ（6.2.3嚴格推導6.2.4 結(jié)果分析二極管）（二極管）（倍）

8、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(jié)中，重摻雜一非對稱結(jié)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(jié)果分析6.2.4 結(jié)果分析6.2.4 結(jié)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(jié)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(jié)果分析擊穿Si pn結(jié)的I-V特性曲

9、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(jié)的實驗結(jié)果符合較好，與Si和GaAs p-n結(jié)的實驗結(jié)果偏離較大。實際p-n結(jié)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(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)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(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關(guān)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