半导体物理-第六章-pn结课件.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 pn结,本章主要内容,6.1,pn,结及其能带图；,6.2,pn,结电流、电压特性；,6.3,pn,结电容；,6.4,pn,结击穿特性；,6.5,pn,隧道特性；,Pn相关器件认识,二极管,整流桥,主要面向计算机主板、硬盘驱动器、手机充电器、紧急照明以及笔记本电脑的背光照明等应用。,LED,天花灯,LED地灯,LED球泡灯,LED球泡灯,LED射灯,LED手电筒,LED手电筒,LED,花园灯,第六章 PN结,一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。,PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。,6.1 PN结及其能带图,6.1.1,PN结的形成及其杂质分布,Pn,结的形成,在一块,n,型半导体上掺入,p,型杂质，在交界面上形成,pn,结,.,高温熔融的铝冷却后，n型硅片上形成高浓度的p型薄层。,P型杂质浓度N,A,n型杂质浓度N,D,特点：交界面浓度发生突变。,在n型单晶硅片上,扩散受主杂质,，形成pn结。,杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为,缓变结,。,为杂质浓度梯度。,6.1.3,电子从费米能级,高,的n区流向费米能级,低,的p区，,空穴从p流到n区。,E,Fn,不断下移，E,Fp,不断上移,直到,E,Fn,=E,Fp,，,最后，,Pn具有统一费米能级E,F,Pn结处于平衡状态。,本征费米能级E,i,的变化与-qV(x)一致,动态平衡时,当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，E,F,随位置变化小，而载流子浓度小的地方，E,F,随位置变化较大。,6.1.4,V,D,称为pn结的,接触电势差,或内建电势差.qV,D,为pn结的,势垒高度,.,平衡时pn结的费米能级处处相等.,qV,D,=E,Fn,-E,Fp,n,n0,、n,p0,分别为平衡时n、p区的电子浓度,qV,D,=E,Fn,-E,Fp,在一定温度下，掺杂浓度越高，V,D,越大；,n,i,越小，V,D,越大,势垒高度,6.1.5,平衡时pn结，取p区电势为零，势垒区一点x的电势,V(x),，,x点的电势能为,E(x)=-qV(x),对非简并材料，x点的电子浓度,n(x),，应用第三章计算平衡时导带载流子浓度计算方法,X点空穴浓度为，,p,n0,是平衡时n区的少子浓度,当 X=X,n,时，V(x)=V,D,p(x,n,)=p,n0,当 X=-X,p,时，V(x)=0,p(-x,p,)=p,p0,正向偏移下，非平衡状态,N区电子,扩散,向P区；,P 区空穴,扩散,向N区,非平衡少子(电子或空穴)在扩散过程中，不断与多子复合，直到复合完毕，这段扩散过程称为,扩散长度,。,一定正向偏压下，单位时间从n区扩散到pp边界的电子浓度时一定的，并在p区形成稳定分布(空穴一样)。,非平衡载流子的电注入,：正向偏压使非平衡载流子进入半导体的过程。,PP处电子浓度P区空穴浓度，形成向P区的电子扩散流。,注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化为空穴流，直到全部复合为止。,根据,电流连续性原理，通过pp(或nn)任何一个界面的总电流是相等的。,总电流=扩散电流+漂移电流,扩散电流漂移电流,2.外加直流电压下，pn结的能带图,外加正向电压下，p、n区均有非平衡少子注入，必须用准费米能级E,Fn,、E,Fp,代替平衡时的统一费米能级,能带特征：,E,Fp,在,p,区及,势垒区为水平线，在空穴扩散区,(,nn,到,L,p,区,),为,斜线,；,E,Fn,在,n,区及势垒区为水平线，在电子扩散区,(pp,到,L,n,区,),为,斜线,；,E,Fp、,E,fn,在扩散区为斜线的原因：由于复合，存在浓度梯度，电子、空穴浓度逐渐减小,正向偏压下的特征：,P,、,n,区具有各自的费米能级,E,fn,、,E,fp,；,有净电流流过,pn,结；,正向偏压下，势垒降低,qV,;,qV,=,E,fn,-E,fp,；,E,fn,位置高于,E,FP,反向偏压下pn结的能带结构,能带特征：,E,Fn,、E,FP,也发生了偏离，但 E,FP,位置高于,E,fn,；,1.pp处注入的非平衡少数载流子浓度,：,在PP边界处，x=-x,p,qV=,E,fn,-E,fp,pp边界注入的非平衡少数载流子浓度为,非平衡少数载流子浓度是电压的函数。,同理，nn边界注入的非平衡少数载流子浓度为,非平衡少数载流子浓度是电压的函数。,稳态时，非平衡少数载流子的连续性方程,小注入时,N型扩散区E,x,=0,连续性方程变为：,方程的通解为：,边界条件：x,p,n,()=p,n0,X=x,n,同理：,外加正向偏压下，非平衡少数载流子在两边扩散区的分布,讨论：,1.非平衡少数载流子浓度一定，在扩散区形成稳定扩散，按指数规律衰减。,当 V一定，在x=x,n,和x=-x,p,边界处,2.加反向偏压下，如果qVk,0,T,对n区：,在x=x,n,处,在n区内部：xLp处,2.外加偏压下电流密度的关系,小注入时，耗尽层外的扩散区不存在电场，,在X=X,n,处，空穴扩散电流密度为,同理，在X=-X,p,处，电子扩散电流密度为,理想PN 结，忽略势垒区内的复合-产生作用，,通过pp界面的空穴电流密度为J,p,(-x,p,),=,通过nn界面的空穴电流密度为J,p,(x,n,);,通过pn结的总的电流密度为J,J=,J,n,(-x,p,),+,J,p,(-x,p,),=,J,n,(-x,p,),+,J,p,(x,n,),理想pn结的电压-电流方程，又称为肖克莱方程。,3.Pn结的单向导电性,正向偏压下,，电流密度随电压V指数式迅速增大,室温下，k,0,T=0.026V,反向偏压下,，Vk,0,T时，,反向电流密度为常量，与外加电压无关，-J,s,为反向饱和电流密度,4.温度对电流密度的影响,反向电流密度：,正向电流密度：,正向电流密度随温度升高而增加,前面的温度项温度升高缓慢增加，后项随温度升高迅速增大,6.2.3 影响pn结电流电压特性,偏离理想方程,的各种因素,实验表明，理想电流电压特性方程和小注入下锗pn结的实验结果较符合；但与硅pn结实验结果偏离较大。,偏离方面：,正向偏压,:,正向电流小时，,理论值,理论值，反向电流不饱和，而是随反向偏压增大而略有增大,引起偏离的原因,1.势垒区产生电流,平衡时，势垒区产生率=复合率,反向偏压时，势垒区内电场加强，由于热激发作用，复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被电场驱走了。,使势垒区产生率复合率。,产生附加的反向电流I,G,设净产生率为G,结面积A,势垒宽度X,D,I,G,=qGX,D,A,势垒区内,势垒区内净的复合率,净的复合率U=-G,由于I,G,=qGX,D,A,2.势垒区产生电流,正向偏压时，注入到P区电子与N区的空穴在势垒区内复合，构成正向复合电流。,假定复合中心与本征费米能级重合，,令r,p,=r,n,=r,设势垒区n=p,总的正向电流密度J,F,=扩散电流J,FD,+复合电流J,r,m=2 复合电流为主，,m=1 扩散电流为主,低电压时,J,r,J,FD,复合电流为主,高电压时,J,FD,J,r,扩散电流为主,3.大注入情况,大注入：注入的非平衡少子浓度接近或超过多子浓度,P,+,n为例：,正向电流主要P,+,区注入n区的空穴电流，,n区注入P,+,区的电子电流可忽略。,设注入空穴浓度,p,n,(x,n,)很大，,n区多子浓度n,n0,=N,D,为了保持n区电中性，n区的多子相应地增加同等数量,p,n,(x,n,)=n(x).,电子浓度梯度=空穴浓度梯度,存在电子浓度梯度，使电子在空穴扩散方向上也发生扩散,通过nn界面的电流=电子电流密度Jn+空穴电流密度,总结：,低电压时，m=2,复合电流其主要作用；,高电压时，m=1,扩散电流其主要作用。,大注入时其电流电压关系为,6.3 pn结电容：,正向偏压增大时，使势垒区减小,原因,：n区的电子或p区空穴,中和,势垒区电离施主或电离受主，,效果：,相当于在势垒区“储存”了电子或空穴。,正向偏压减小时，使势垒区增大,原因,：n区的电子或p区空穴从势垒区抽出，空间电荷数增多。,效果：,相当于势垒区“取出”电子或空穴。,势垒区的空间电荷数随外加偏压发生变化，等价于电容器的充、放电作用。,2.扩散电容,正向偏压时，空穴(电子)注入n(p)区，在势垒边界处，积累非平衡少数载流子。,正向偏压增大时，势垒区边界处积累的非平衡载流子增多；,正向偏压减小时，则相应减小。,由于正向偏压增大或减小，引起势垒区边界处积累的电荷数量增多或减小产生的电容称为,扩散电容,。,势垒电容和扩散电容均随外加偏压的变化而变化，均为,可变电容,微分电容 pn结在固定直流偏压V作用下，叠加一个微小的交流电容dV时，引起电荷变化dQ,该直流偏压下的微分电容为,6.3.2 突变结势垒电容-非线性的,1.突变结势垒中电容的电场、电势分布,势垒区电荷密度分布：,(X)=-q,N,A,-x,p,x0,;,(X)=-q,N,D,0 xE,g,时，p区价带顶电子与n区导带底电子具有相同能量，电子可以从价带顶直接渡越到导带，发生隧穿。,对一定的半导体材料，势垒区电场E越大，或,x越短，电子穿过隧道的概率p越大。,电场E增大到一定程度，或,x短到一定程度，p区大量价带电子隧穿到n区导带，反向电流密度急剧增大，pn结隧道击穿。,若概率p=10,-10,，Si:Eg=1.12eV,x=3.1nm,。,(NV,A,)越大，,x,越小，隧道击穿概率P越大。隧道击穿与(NV,A,)密切相关。,(NV,A,)中，N 小，反向偏压V大时，容易发生雪崩击穿；,杂质浓度N大时，隧道击穿为主。,3.热电击穿,Pn结施加反向电压时，反向电流引起热损耗；,反向电压越大，热损耗也越大。,如果,散热不畅，会引起结温升高。,反向电流随温度升高按指数规律增大，上升速度非常快。,结温升高，J,S,升高，热能迅速增大,，使结温进一步升高，反向电流密度进一步增大。,循环往复，Js无限增大，发生击穿。,5.Pn结隧道效应,两边重掺杂的PN结，其电压特性,1-2阶段,：随电压增大电流迅速增大，达到,峰值电流I,P,。对应峰值电压 V,P,.,2-3阶段,：随电压增大电流发反而减小的现象称为负阻，极小值,电流称为谷值电流I,v,。电压称为谷值电压V,v,.,当电压大于V,v,后，电流又随电压的增大而增大。,V,P,V,v,段,电压增大电流发反而减小的特性 称为,负阻特性,。,隧道结,：重掺杂的P区和n区形成的结。,应用：制备各种隧道二极管。,负阻特性的应用：微波放大、高速开关、激光振荡源等。,P区费米能级进入价带；,N区费米能级进入导,带,；,平衡时的能带图,N,区导带与,p,区价带存在相同能量的量子态。,重掺杂，杂质浓度很高，势垒区很薄，电子：从,n,p;,空穴：从,p,n,。,3.,隧道电流产生。势垒宽度越小，电流越大。,隧道结中，扩散电流很小，隧道电流占主导。,平衡态,无净电流流过,反向偏亚，p区价带电子隧穿导n区导带，产生反向隧道电流。,1-2阶段,产生从n到p的隧道电流,2-3 负阻特性，n区到p的电子数减少，隧道电流减小。,隧道结利用多子的隧道效应工作的。,隧道二极管的特性：,噪声较低：单位时间通过结的多子数目起伏较小；,工作温度范围大：温度对多子浓度影响小；,可在高频下工作：电子越过结所需时间短，不受渡越时间的限制。,