光電器件課件第二章.ppt

1、第二章 PN 結(jié),pn結(jié)是大多數(shù)半導(dǎo)體器件都會(huì)涉及到的結(jié)構(gòu)。因而半導(dǎo)體器 件的特性與工作過程同pn結(jié)的特性和原理密切相關(guān)。因而 pn結(jié)對(duì)于半導(dǎo)體器件的學(xué)習(xí)是特殊重要的。在pn結(jié)基本結(jié) 構(gòu)和原理的學(xué)習(xí)過程中，我們會(huì)遇到一些非?；竞椭匾?概念，是以后的學(xué)習(xí)過程中會(huì)不斷提到的，因而一定要理解 這些概念的物理涵義和基本性質(zhì)。 重點(diǎn)概念：空間電荷區(qū)、耗盡區(qū)、勢(shì)壘區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、反偏、勢(shì)壘電容等等 分析pn結(jié)模型的基礎(chǔ)：載流子濃度、費(fèi)米能級(jí)、電中性條件、載流子的漂移與擴(kuò)散、雙極輸運(yùn)方程,2.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu),若在同一半導(dǎo)體內(nèi)部，一邊是P 型，一邊是N 型，則會(huì) 在P 型區(qū)和N 型區(qū)的交界

2、面附近形成pn 結(jié)，它的行為 并不簡(jiǎn)單等價(jià)于一塊P型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體的串聯(lián)。 這種結(jié)構(gòu)具有特殊的性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴?PN 結(jié)是許多重要半導(dǎo)體器件的核心,零偏（熱平衡）pn結(jié) p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的能帶圖 pn結(jié)的能帶圖 內(nèi)建電勢(shì)差,Ec,Ev,EFi,EF,Ec,Ev,EFi,EF,耗盡近似：認(rèn)為在勢(shì)壘區(qū)中全部自由載流子都被耗盡。,電場(chǎng)強(qiáng)度,p,n,E,-xp,xn,eNd,eNa,內(nèi)建電場(chǎng)由空間電荷區(qū)的電荷所產(chǎn)生，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和電荷密度的關(guān)系由泊松方程確定：,其中為電勢(shì)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，為電荷密度，s為介電常數(shù)。從圖可知，電荷密度(x)為：,耗盡區(qū)假設(shè),耗盡近似：認(rèn)為在勢(shì)壘區(qū)中 全部自

3、由載流子都被耗盡。,則p側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)可以積分求得：,邊界條件：x=-xp時(shí)，E=0,相應(yīng)，n側(cè)空空間電荷區(qū)電場(chǎng)：,邊界條件：x=xn時(shí)，E=0,p側(cè)電場(chǎng)和n側(cè)電場(chǎng)在界面處（x=0）連續(xù)，即：,-xp,xn,eNd,eNa,-xp,xn,x=0,E,因而兩側(cè)空間電荷區(qū)的寬度xp和xn有關(guān)系：,空間電荷區(qū)整體保持電中性,空間電荷區(qū)主要向低摻雜一側(cè)延伸,根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的關(guān)系，將p區(qū)內(nèi)電場(chǎng)積分可得電勢(shì)：,確定具體的電勢(shì)值需要選擇參考點(diǎn)，假設(shè)x=xp處的電勢(shì)為0，則可確定積分常數(shù)值C1和p區(qū)內(nèi)的電勢(shì)值為：,同樣的，對(duì)n區(qū)內(nèi)的電勢(shì)表達(dá)式積分，可求出：,當(dāng)x=0時(shí)，電勢(shì)值連續(xù)，因而利用p區(qū)電勢(shì)公式

4、可求出：,pp0,np0,nn0,pn0,-xp,xn,x=0,E,p,n,=0,=Vbi,電勢(shì)和距離是二次函數(shù)關(guān)系，即拋物線關(guān)系,空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度變化,顯然，x=xn時(shí)，=Vbi，因而可以求出：,空間電荷區(qū)寬度,p,n,xp+xn,由整體的電中性條件要求，我們已經(jīng)知道：,將該式代入用電勢(shì)公式求出的Vbi式，可得到：,空間電荷區(qū)寬度與摻雜濃度有關(guān),熱平衡狀態(tài)下pn結(jié)處存在著空間電荷區(qū)和接觸電勢(shì)差 內(nèi)建電場(chǎng)從n區(qū)空間電荷區(qū)邊界指向p區(qū)空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)在p、n交界處最強(qiáng) 因?yàn)槭菬崞胶鉅顟B(tài)，p區(qū)、n區(qū)及空間電荷區(qū)內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí) 空間電荷區(qū)內(nèi)的漂移電流和擴(kuò)散電流向平衡，無(wú)宏觀電流。

5、p、n兩側(cè)的空間電荷總數(shù)量相等，對(duì)外部保持整體的電中性 空間電荷區(qū)內(nèi)無(wú)（幾乎）自由載流子、因而又稱為耗盡區(qū)； 空間電荷區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)，表現(xiàn)為電子的勢(shì)壘，因而又稱為勢(shì)壘區(qū) 空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度密切相關(guān),這一關(guān)系給出了內(nèi)建電勢(shì)差在p、n兩側(cè)的分配關(guān)系。這也解釋了為什么對(duì)于單邊突變結(jié)（p+n或pn+)來(lái)說，電壓主要降落在輕摻雜一側(cè)。外加電壓同樣會(huì)分配在pn結(jié)兩側(cè)，其分配比例不變。,因?yàn)樵谕瑯拥暮谋M假設(shè)下，求解泊松方程的過程是完全相同的，只是將整個(gè)電場(chǎng)積分后的電勢(shì)差Vbi代換為Vbi-Vapp,零偏狀態(tài)下 內(nèi)建電勢(shì)差形成的勢(shì)壘維持著p區(qū)和n區(qū)內(nèi)載流子的平衡 內(nèi)建電場(chǎng)造成的漂移電流和擴(kuò)散電流相平

6、衡,pn結(jié)的單向?qū)щ娦?pn 結(jié)兩端加正向偏壓V后， V基本上全降落在耗盡區(qū)的勢(shì)壘上；由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。 勢(shì)壘高度由平衡時(shí)的eVbi降低到了e(Vbi-V) ；正向偏置電壓V在勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生的電場(chǎng)與自建電場(chǎng)方向相反，勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，并相應(yīng)的使空間電荷數(shù)量減少，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄。,產(chǎn)生了凈擴(kuò)散流； 電子：N區(qū) P區(qū)空穴：P區(qū) N區(qū) 熱平衡時(shí)載流子漂移流與擴(kuò)散流相互抵消的平衡被打破：勢(shì)壘高度降低，勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)減弱，相應(yīng)漂移運(yùn)動(dòng)減弱，因而使得漂移運(yùn)動(dòng)小于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了凈擴(kuò)散流。,在空間電荷區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生了過剩載流子； 通過勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入P區(qū)的電子

7、和進(jìn)入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過剩載流子。這稱為正向注入，由于注入的載流子對(duì)它進(jìn)入的區(qū)域來(lái)說都是少子，所以又稱為少子注入。對(duì)于注入的少子濃度遠(yuǎn)小于進(jìn)入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。 邊界上注入的過剩載流子，不斷向體內(nèi)擴(kuò)散，經(jīng)過大約幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度后，又恢復(fù)到了平衡值。,外加偏壓時(shí)勢(shì)壘區(qū)附近的載流子分布 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)代替費(fèi)米能級(jí)的位置，給出的是對(duì)應(yīng)的載流子在非平衡態(tài)條件下的密度 導(dǎo)帶電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFN和價(jià)帶空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFP 類似于平衡態(tài)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子濃度公式： 非平衡態(tài)下的載流子濃度可寫為：,（2.1）,（2.2）,變換上兩式,（2.3）,（2.4

8、）,（2.5）,（2.6）,小注入：由于注入的載流子對(duì)它進(jìn)入的區(qū)域來(lái)說都是少子，所以又稱為少子注入。對(duì)于注入的少子濃度遠(yuǎn)小于進(jìn)入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。,pn結(jié)的零偏、正偏和反偏,考慮小注入情況在視類區(qū)域內(nèi)空穴密度近似等于熱平 衡時(shí)的空穴密度，其費(fèi)米能級(jí)近似為熱平衡狀態(tài)時(shí)的空穴費(fèi)米能級(jí),正向偏壓下,反向偏壓下，在x=xn處的邊界處的空穴密度為：,在x=-xp處的邊界處的電子密度為：,加正向電壓、反向電壓時(shí)的載流子密度和電流密度分布,由此，我們可以得出PN結(jié)處于正偏和反偏條件時(shí)，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布,正偏,反偏,正偏電流圖像 當(dāng)電流由P區(qū)歐姆接觸進(jìn)入時(shí)，幾乎全部為空穴的漂移電流；空穴

9、在外電場(chǎng)作用下向電源負(fù)極漂移； 由于少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度可以認(rèn)為這個(gè)電流完全由多子空穴攜帶。 空穴沿x方向進(jìn)入電子擴(kuò)散區(qū)以后，一部分與N區(qū)注入進(jìn)來(lái)的電子不斷地復(fù)合，其攜帶的電流轉(zhuǎn)化為電子擴(kuò)散電流；,另一部分未被復(fù)合的空穴繼沿x方向漂移，到達(dá)-xp的空穴電流，通過勢(shì)壘區(qū)； 若忽略勢(shì)壘區(qū)中的載流子產(chǎn)生-復(fù)合，則可看成它全部到達(dá)了xn處，然后以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向前，在N區(qū)中的空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成空穴擴(kuò)散流；,在擴(kuò)散過程中，空穴還與N區(qū)漂移過來(lái)的電子不斷地復(fù)合，使空穴擴(kuò)散電流不斷地轉(zhuǎn)化為電子漂移電流； 直到空穴擴(kuò)散區(qū)以外，空穴擴(kuò)散電流全部轉(zhuǎn)化為電子漂移電流。忽略了少子漂移電流后，電子電流便構(gòu)成了流出N區(qū)歐姆

10、接觸的正向電流。,空穴電流與電子電流之間的相互轉(zhuǎn)化，都是通過在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的復(fù)合實(shí)現(xiàn)的，因而正向電流實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)合電流。,反偏電流圖像 pn在反向偏置下， P區(qū)的多子空穴受外電場(chǎng)的作用向P區(qū)的歐姆接觸負(fù)電極漂移，同時(shí)增強(qiáng)的空間電荷區(qū)電場(chǎng)也不斷地把N區(qū)的少子空穴拉過來(lái)； N區(qū)的電子受外電場(chǎng)作用向N區(qū)的歐姆接觸正電極漂移，同時(shí)空間電荷區(qū)自建電場(chǎng)亦不斷地把P區(qū)的少子電子拉過來(lái)； N區(qū)邊界xn處的空穴被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)向P區(qū)，而P區(qū)邊界-xp處的電子被驅(qū)向N區(qū)，當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場(chǎng)驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來(lái)補(bǔ)充，形成反偏下的空穴擴(kuò)散電流和電子擴(kuò)散電流。這種情況好象少數(shù)載流子不斷地被抽向?qū)Ψ?，所以稱為少數(shù)載

11、流子的抽取。,勢(shì)壘高度和載流子濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系偏壓對(duì)空間電荷區(qū)邊界處注入的非平衡載流子濃度的調(diào)制理想pn結(jié)電流-電壓關(guān)系 正偏狀態(tài)的pn結(jié)，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指數(shù)增加。反偏時(shí)趨于飽和 當(dāng)產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除以后，非平衡載 流子也就逐漸消失，半導(dǎo)體最終恢復(fù)到平衡態(tài)。 半導(dǎo)體由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過程，也就是非平衡載流子逐步消失的過程，稱為非平衡載流子的復(fù)合。,PN結(jié)電容,小節(jié) 勢(shì)壘高度和載流子濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系偏壓對(duì)空間電荷區(qū)邊 界處注入的非平衡載流子濃度的調(diào)制理想pn結(jié)電流-電壓 關(guān)系 正偏狀態(tài)的pn結(jié)，正偏電流的大小隨正偏電壓的增加而指 數(shù)增加。反偏時(shí)趨于飽和 隨著溫度的

12、升高，反偏飽和電流增大，相同正向電流下的 偏壓降低 利用溫度特性可以制成對(duì)溫度敏感的二極管，作為溫度探 測(cè)器件。但同時(shí)二極管的溫度特性要求二極管要正確應(yīng) 用，避免形成溫度正反饋導(dǎo)致燒毀 當(dāng)pn結(jié)二極管的中性區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)為短二極 管，擴(kuò)散區(qū)縮短，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的復(fù)合作用可以忽略。雙極晶 體管中的EB結(jié)通常就是一個(gè)短pn結(jié),再利用上述兩個(gè)邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)方程最終的解為：,對(duì)于WnLp的條件，我們還可以對(duì)上式做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，因?yàn)榇藭r(shí)有：,再利用上述兩個(gè)邊界條件，可得穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)方程最終的解為：,單邊突變結(jié)：一側(cè)高摻雜，而另一側(cè)低摻雜的突變結(jié),p+n或pn+,單邊突變結(jié)空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)擴(kuò)展,單邊突變結(jié)的勢(shì)壘主要降落在輕摻雜一側(cè),注入到p（n）型區(qū)中的電子（空穴）會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散和復(fù)合，因此公式給出的實(shí)際上是耗盡區(qū)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度。 上述邊界條件雖然是根據(jù)pn結(jié)正偏條件導(dǎo)出的，但是對(duì)于反偏情況也是適用的。因而當(dāng)反偏電壓足夠高時(shí)，從上述兩式可見，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度基本為零。,pn在反向偏置下， P區(qū)的多子空穴受外電場(chǎng)的作用向P區(qū)的歐姆接觸負(fù)電極漂移，同時(shí)增