半导体物理_第八章课件.ppt

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1、第八章PN结与肖特基结二极管本章学习要点：1.进一步加深有关PN结与肖特基结的概念（包括零偏置和反向偏置条件下的特性）；2.推导并掌握理想PN结二极管的电流－电压特性特性方程；3.掌握理想肖特基二极管的电流－电压特性方程；4.建立并掌握PN结二极管的小信号等效电路模型；5.学会分析PN结二极管空间电荷区中的产生与复合电流；6.掌握PN结二极管的击穿特性；7.了解PN结二极管的开关特性。在第七章中，我们已经介绍了半导体PN结的形成及其基本结构，并分析了处于热平衡状态和处于反向偏置状态的PN结特性，包括能带图、电势分布、

2、空间电荷区宽度以及空间电荷区中的电场分布，我们还分析了PN结的电容特性。在本章中我们将重点讨论PN结二极管的正向偏置特性，当外加正向偏置电压时，PN结中的势垒将会降低，这时空穴就会从P型区扩散至N型区，成为N型区中的过剩少数载流子，同样电子也会从N型区扩散至P型区，成为P型区中的过剩少数载流子。这些过剩少数载流子的漂移、扩散和复合过程依然满足上一章中我们讨论过的双极输运方程。§8.1PN结与肖特基结的简单回顾在第七章中我们已经介绍过了PN结和肖特基结的基本概念以及零偏和反偏条件下PN结和肖特基结的特性，这里再简要回顾一下。1.PN结

3、P型区和N型区为同一块半导体单晶材料；理想情况：两侧均匀掺杂如图所示：冶金结界面电子由N型区流向P型区，留下带正电的施主离子；空穴由P型区流向N型区，留下带负电的受主离子。下图所示为冶金结界面两侧所形成的空间电荷区示意图，空间电荷区中将形成内建电场，由于理想PN结两侧掺杂浓度均匀，因此内建电场随空间位置线性变化，最大电场位于冶金结界面处。由于空间电荷区中大多数载流子已经耗尽，因此空间电荷区也称为耗尽区。耗尽区之外，内建电场为零。热平衡状态下（零偏置条件时）的PN结能带示意图零偏置条件时，PN结中电流为

4、零，漂移电流与扩散电流相抵消。原因：PN结两侧多数载流子扩散至对方，留下固定的离化电荷，形成耗尽区和内建电场，引起漂移电流，耗尽区不断展宽，内建电场不断增强，漂移电流不断增大，直至其与扩散电流相抵消，达到动态平衡。内建电场同时也会引起内建电势差，使得能带发生弯曲。零偏时，PN结中没有净的电流，因此整个PN结中各处的费米能级保持恒定。当外加反向偏置电压VR时，PN结空间电荷区中电场增强，PN结势垒增大，PN结两侧耗尽区进一步展宽。处于反向偏置条件下的PN结能带示意图由于随着反向偏置电压的增加，PN结两侧耗尽区宽度

5、不断展宽，耗尽区中的电荷也在不断增加，因此反偏PN结呈现出电容特性，一般称之为PN结耗尽层电容。反偏时，PN结处于非热平衡状态，此时PN结中不再具有统一的费米能级。当PN结两侧外加正向偏置电压Va时，PN结空间电荷区中电场减弱，PN结势垒降低，处于正向偏置条件下的PN结能带示意图从图中可见，外加正向偏置电压Va之后，PN结中的势垒高度降低，P型区中的空穴将不断地向N型区中扩散，同时N型区中的电子也将会不断地向P型区中扩散，因此PN结中将有比较大的正向电流。其电流－电压特性我们将在后面详细讨论。2.肖

6、特基势垒结如图所示为某种金属材料与N型半导体材料在没有形成接触之前的能带图。其中真空能级作为参考能级，eфm是金属材料的功函数，eфS是半导体材料的功函数，χ是半导体材料中电子的亲和势。形成金属－半导体接触之后，金属材料和半导体晶体材料之间的能带示意图，从图中可见，达到平衡之后肖特基势垒高度为：肖特基结处于正向偏置状态的能带示意图§8.2PN结－－理想电流电压特性推导理想PN结电流－电压特性方程的四个基本假设条件：（1）PN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；（2）载流子分布满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似

7、；（3）满足小注入的条件；（4）通过PN结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空穴电流在PN结中各处是一个连续函数；电子电流和空穴电流在PN结耗尽区中各处保持为恒定常数。推导理想PN结电流－电压特性方程时所用到的各种物理量符号如下页表8.1所示。推导理想PN结电流－电压特性时所用到的各种符号当外加正向偏压Va时，此电压主要降落在势垒区上，PN结内建电场减弱，如下图所示。此时扩散电流与漂移电流之间的平衡被打破，扩散电流为主，形成少数载流子注入。当外加正向偏置电压时，PN结中的势垒将会降低，这时空穴就会从P型区扩散至N型区，成为

8、N型区中的过剩少数载流子，同样电子也会从N型区扩散至P型区，成为P型区中的过剩少数载流子。这些过剩少数载流子的漂移、扩散和复合过程依然满足上一章中我们讨论过的双极输运方程。1.边界条件：下图所示为热平衡状