第二章 pn结和pn结二极管ppt课件.ppt

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1、第二章p-n结和pn结二极管p–njuction本章内容热平衡状态下的p-n结耗尽区电流-电压特性耗尽层势垒电容&变容二极管电荷储存与暂态响应&开关二极管结击穿&稳压二极管异质结pn结应用p-n结(junction)：由p型半导体和n型半导体接触形成的结．p-n结最重要的特性是单向导电性(整流性)，即只容许电流流经单一方向。右图为一典型硅p-n结的电流-电压的特性．当对p-n结施以正向偏压(p端为正)时，随着电压的增加电流会快速增加．然而，当施以反向偏压时，随反向偏压的增加几乎没有任何电流，电流变化很小，直到一

2、临界电压后电流才突然增加．这种电流突然增加的现象称为结击穿(junctionbreakdown)．外加的正向电压通常小于1V，但是反向临界电压或击穿电压可以从几伏变化到几千伏，视掺杂浓度和其他器件参数而定．一、热平衡状态下的p-n结1、pn结的形成：让我们设想n型和p型半导体相互接触的过程（当然实际pn结是不能这样形成的）。p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的。p型材料包含大浓度的空穴而仅有少量电子，但是n型材料刚好相反。当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大的浓度梯度，载流子会扩散

3、。在p侧的空穴扩散进入n侧，而n侧的电子扩散进入p侧。如果电子和空穴不带电的中性粒子，那么这个扩散过程一直到p型和n型材料中，电子和空穴均匀分布为止。但是，由于电子和空穴带电，这一扩散过程大大不同。当空穴持续离开p侧，在结附近的部分负受主离子NA－未能够受到补偿，此乃因受主被固定在半导体晶格，而空穴则可移动。类似地，在结附近的部分正施主离子ND+在电子离开n侧时未能得到补偿。因此，负空间电荷在接近结p侧形成，而正空间电荷在接近结n侧形成。此空间电荷区域产生了一电场，其方向是由正空间电荷指向负空间电荷，即由n型指

4、向p型一侧，如图所示。这个电场阻止了电子和空穴的扩散运动，或者说，在这个电场作用下，电子和空穴会发生漂移运动，漂移运动方向与扩散方向相反。这个过程直到两种载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡时为止。于是，在平衡时，pn结两侧形成一个稳定的电场，由n指向p，称为自建场。同时在n和p之间形成一个电位差，称为自建电势(built-inprotential)。[从统计物理上说，这个过程直到n和p两侧费米能级一致时为止，整个样品上的费米能级必须是常数(亦即与x无关)，如下面所示的能带图。]pn结达到(动态)平衡时，满足

5、细致平衡，2、能带图(banddiagram)：p-n结形成之前，p型和n型半导体材料是彼此分离的，其费米能级在p型材料中接近价带边缘，而在n型材料中则接近导带边缘。p型和n型半导体接触后，带负电的电子扩散到p型一侧、带正电的空穴扩散到n型一侧，使p型电位降低(电势能增大)，n型电位升高(电势能减小)。平衡时，作为一个热力学系统，费米能级(化学势)一致。平衡费米能级(equilibriumFermilevels)：在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载

6、流子，电场造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即由空穴浓度的关系式得其导数：其中对电场用了和爱因斯坦关系式（2.1）（2.2）将式（2.2）代入式（2.1），得到净空穴电流密度为或（2.3）同理可得净电子电流密度为因此，对净电子和空穴电流密度为零的情况，整个样品上的费米能级必须是常数(亦即与x无关)，如前图所示的能带图。（2.4）3、内建电势(built-inprotential)Vbi：在热平衡下，定值费米能级导致在结处形成特殊的空间电荷分布．对图(a)及(b)表示的一维p-n结和对应的热平衡

7、能带图,空间电荷分布和静电电势的特定关系可由泊松方程式(Poisson’sequation)得到，这里假设所有的施主和受主皆已电离。在远离空间电荷区的区域，电荷保持中性，且总空间电荷密度为零．对这些中性区域，上式可简化为即对于p型中性区，假设ND=0和p>>n。p型中性区相对于费米能级的静电电势，在图中标示为ψp，可以由设定ND=n=0及将结果p=NA代入式由于得到在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi同理，可得n型中性区相对于费米能级的静电势ψn为由上二式可计算出在不同掺杂浓度时，硅和砷化

8、镓的和ψn值的大小，如图所示．对于一给定掺杂的浓度，因为砷化镓有较小的本征浓度，其静电势较高．例1:计算一硅p-n结在300K时的内建电势，其NA＝1018cm-3和ND＝1015cm-3．解由式得到或由右图得到由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域，进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空间电荷