第2章 PN結機理與特性-2

1、第二章 PN結機理與特性2.1 平衡PN結的機理與特性2.1.1 PN結的制備與雜質分布在N型(或P型)半導體單晶片襯底上，分別采用不同的摻雜方法，使原來半導體的一部分變成P型，（或N型），那么在P型半導體與N型半導體的交界面處就形成了PN結，如圖n合金法及其雜質分布合金法制備PN結的基本過程如圖所示n擴散法及其雜質分布用擴散法制備PN結的基本過程如圖擴散結的形成過程a）氧化 b）光刻 c）P型雜質的擴散 d）n離子注入法及雜質分布擴展結的雜質分布a）恒定源雜質的分布 b）限定源雜質的分布 c）線性源變節(jié)近似離子注入PN結及其雜質分布n外延生長法2.1.2 平衡PN結形成與能帶n1 平衡PN結

2、形成平衡PN結空間電荷區(qū)的形成a） P區(qū)與N區(qū)載流子擴散 b）PN結空間電荷區(qū)平衡PN結表現(xiàn)出來的3個主要特征：1. 通過平衡PN結的靜電流為零；2.在空間電荷區(qū)，兩側正負空間電荷數(shù)量相等；3.空間電荷區(qū)以外的N型區(qū)和P型區(qū)仍是電中性的。n2 平衡PN結的能帶圖平衡PN結的能帶圖a） N型、P型半導體的能帶 b）平衡PN結的能帶平衡PN結費米能級時處處相等的（證明見教材）2.1.3 平衡PN結的接觸電勢差由于平衡PN結空間電荷區(qū)內(nèi)存在自建電場，使得N區(qū)和P區(qū)之間存在電勢差，把這個電勢差稱為PN結的接觸電勢差，用UD表示。2lnDADiN NTUqn2.1.4 平衡PN結的載流子濃度分布平衡PN

3、結的載流子濃度分布如圖。在空間電荷區(qū)靠P邊界XP處，電子濃度等于P區(qū)的平衡少子濃度nP0，而空穴濃度等于P區(qū)的平衡多子濃度PP0；在空間電荷區(qū)靠N邊界XN處，空穴濃度等于N區(qū)的平衡少子濃度PN0，而電子濃度等于N區(qū)的平衡多子濃度nN0；在空間電荷區(qū)之內(nèi)，空穴濃度從XP處的pP0減小到XN處的pN0，電子濃度從XN處的nN0減小到XP處的nP0。平衡PN結載流子濃度分布a） U（x）分布 b）能帶 c）載流子濃度分布2.2 正向PN結機理與特性2.2.1 正向偏置與正向注入效應正向偏置時PN結勢壘變化及其能帶圖2.2.2 正向PN結邊界少子濃度和少子濃度分布正向PN結少子濃度分布示意圖1.邊界少

4、子濃度邊界少子濃度是指在空間電荷區(qū)靠N區(qū)邊界XN處的空穴濃度p（XN）和靠近P區(qū)邊界XP處的電子濃度n（XP）。正向PN結少子濃度分布示意圖正向PN結的少子分布及其準費米能級/2()()iqUTPPnn Xep X/0()quTNNp Xpe靠近P區(qū)邊界Xp處的電子濃度n(Xp)為靠近N區(qū)邊界XN處的空穴濃度p(XN)為2.2.3 正向PN結電流-電壓方程式正向PN結電流的轉換與傳輸示意圖/00(1)qUTPnNPnPn DpDJAqeLLPN結正向電流方程式:220()iniPAnDPnLnLJAqNN在常溫下可以近似為:正向PN結的電流-電壓關系曲線PN結正向電流的討論n1. PN結兩邊雜

5、質濃度與正向電流的關系2/qUTiPPDnLJAqeNP+N結的正向電流公式簡化為:PN+結的正向電流公式簡化為:2/qUTninAL nJAqeN高阻區(qū)雜質濃度對PN結正向電流的影響n2. 擴散長度與正向電流的關系2LD對于WW的示意圖n3. 半導體禁帶寬度對正向電流的影響禁帶寬度愈小，n2i 愈大禁帶寬度對正向電流的影響n4. 正向電流的溫度效應n5. PN結的導通電壓和正向壓降2.3 反向PN結的機理與特性2.3.1 反向偏置與反向抽取作用nPN結的反置是指P區(qū)接電流源負極，N區(qū)接電源正極。nPN結的反向抽取作用是指反向結空間電荷區(qū)具有的抽取(或收集)少子的重要作用。2.3.2 反向PN

6、結邊界少子濃度和少子濃度分布n反向PN結邊界少子濃度所謂邊界少子濃度是指在空間電荷區(qū)N區(qū)邊界XN處的空穴濃度p（XN）和靠近P區(qū)邊界Xp處的電子濃度n（ Xp ）。反向PN結的準費米能級示意圖n反向PN結少子濃度分布/01x Lnpn xne /01x LpNp xpe反向PN結P區(qū)少子電子濃度分布反向PN結N區(qū)少子電子濃度分布2.3.3 反向PN結電流-電壓方程式n1. 反向PN結載流子傳輸與電流轉換反向PN結載流子的傳輸與電流傳輸示意圖n2. 反向PN結電流利用正向PN結求擴散電流的方法，可求出PN結的反向電流為：00/1nppNqUTRnpD nD pJAqeLL 2.3.4 反向PN結

7、空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流反向PN結空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流形成示意圖當考慮了空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流后，PN結的反向電流表達式為00/12nppNqUTiRmnpD nD pnJAqeAqXLL 2.3.6 PN結的伏安特性n將正向和反向PN結電流-電壓公式結合起來便形成PN結的伏安特性/000/000(1)(1)(1)qUTqUTPnNPnPqUTPnNPRnPn DpDJAqeJeLLn DpDJAqeJLL PN結的伏安特性曲線2.5 PN結擊穿機理與擊穿特性2.5.1 PN結擊穿機理n熱電擊穿PN結加偏壓增加，溫度上升，反向電流增大，兩者循環(huán)下去，最終導致反向電流無限增大而發(fā)生擊穿。PN結的擊穿現(xiàn)象

8、n隧道擊穿隧道擊穿是在強電場作用下，由隧道效應使大量電子從價帶穿過禁帶，而進入到導帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。又稱齊納擊穿。PN結隧道擊穿示意圖n雪崩擊穿雪崩擊穿示意圖2.5.2 PN結雪崩擊穿電壓n雪崩擊穿條件01mXeffdxn單邊突變結的雪崩擊穿電壓3/43/40182SBDiUNqC n線性緩變結的雪崩擊穿電壓21/5046.293SBjiUqaC 2.5.3 影響雪崩擊穿電壓的主要因素n雜質濃度對擊穿電壓的影響。n外延層厚度對擊穿電壓的影響。nPN結形狀對雪崩擊穿電壓的影響。2.5.4 幾種不正常的擊穿曲線n軟擊穿n低擊穿n管道型擊穿n靠背椅擊穿幾種不正常的擊穿曲線2.6 PN結的電容特

9、性2.6.1 PN結的勢壘電容nPN結為什么會具有電容效應PN結的勢壘電容a） 勢壘電容充電過程 b）勢壘電容放電過程n突變結勢壘電容表達式為1/2002STDqNCAUU 硅突變結CT、Xm與（UD-U）/N0的關系曲線n線性緩變結勢壘電容單邊突變結和線性緩變結的勢壘電容分別為：1/2001/32042412STDjSTDqNCAUqaCAU n實際擴散結勢壘電容通常用查表法求。2.6.2 PN結的擴散電容由電荷在擴散區(qū)存儲所形成的電容稱擴散電容，用CD表示，反應了積累在擴散區(qū)中的非平衡載流子電荷隨電壓的變化規(guī)律。2.7 晶體二極管特性與設計考慮2.7.1 晶體二極管的基本結構n晶體二極管是

10、由一個PN結、制備上相應的電極引線和管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極引線為正極，由N區(qū)引出的電極為負極。晶體二極管的幾種外形晶體二極管的基本結構與符號a） 點接觸型 b） 面接觸型 c） 平面型 d）二極管的符號2.7.2 晶體二極管的伏安特性與主要參數(shù)n二極管的伏安特性二極管的伏安特性就是指流過二極管中的電流I與其端電壓U之間的關系曲線二極管的伏安特性曲線n溫度對二極管伏安特性的影響n二極管的主要參數(shù)最大整流電流ICM最高反向工作電壓URM反向電流IR最高工作頻率fM最大耗散功率PCM2.7.3 幾種特殊二極管n穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制成的硅材料面接觸型晶體二極管，它在反向擊穿

11、時，在一定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應用于穩(wěn)壓電源與限幅電路中。穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性與符號a）伏安特性 b）符號n穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓電壓UZ穩(wěn)壓電流IZ額定功耗PZM動態(tài)電阻rZ溫度系數(shù)n肖特基二極管肖特基二極管是由一根金屬絲經(jīng)過特殊工藝與半導體表面緊密接觸的點接觸型二極管，在高速集成電路、微波技術等許多領域中有廣泛的應用。肖特基二極管的伏安特性、結構與符號a） 伏安特性 b）結構 c）符號n開關二極管二極管從截止到正向偏壓后的導通需要一段時間，稱為正向恢復時間。二極管從導通轉為截止需要一段時間，稱為截止時間。這兩個時間的和稱為開光時間，開

12、關時間愈短愈好。正向恢復時間一般比反向恢復時間短得多。提高開關速度的途徑有：減小正向導通時非平衡載流子的存儲量Q；加速存儲電荷量Q消失的過程。n發(fā)光二極管簡寫為LED，是一種將電信號轉換成光信號的特殊二極管。發(fā)光二極管的一般結構、管芯、外型和符號a）磷砷鎵發(fā)光二極管的管芯 b）封裝結構 c）符號n光敏二極管光敏二極管是一種光能與電能進行轉換的器件。PN結型光敏二極管充分利用PN結的光敏特性，將接收到光的變化轉換成電流的變化。光敏二極管的外形和符號a）常見外行 b）符號光敏二極管的伏安特性a） 伏安特性 b）工作在第一象限的等效電路 c）工作在第三象限的等效電路 d）工作在第四象限的等效電路n變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管利用了PN結勢壘電