半导体物理第六章讲解ppt课件.ppt

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1、第六章 pn结,1 pn结及其能带图 2 pn结的电流电压特性 3 pn结电容 4 pn结击穿,1 pn结及其能带图,(1) pn结的形成和杂质分布(2) pn结的基本概念,n结的基本概念空间电荷区: 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散. 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-空间电荷(电离施主,电离受主). 空间电荷区中存在电场-内建电场,内建电场的方向: np . 在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.,A p-n junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Electrons and

2、holes concentration are reported respectively with blue and red lines. Gray regions are charge neutral. Light red zone is positively charged. Light blue zone is negatively charged. The electric field is shown on the bottom, the electrostatic force on electrons and holes and the direction in which th

3、e diffusion tends to move electrons and holes.,A PN junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Under the junction, plots for the charge density, the electric field and the voltage are reported.,平衡pn结及其能带图: 当无外加电压, 载流子的流动终将达到动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相抵消, 电荷没有净流动), pn结有统一的EF (平衡pn结) 结面附近,

4、存在内建电场,造成能带弯曲,形成势垒区(即空间电荷区).,接触电势差: pn结的势垒高度qVD 接触电势差VD 对非简并半导体,饱和电离近似,接触电势为: VD与二边掺杂有关, 与Eg有关,接触电势差,(1)非平衡状态下的pn结(2)理想pn结模型及其电流电压方程(3)影响pn结电流电压特性偏离理想方程 的各种因素,2 pn结的电流电压特性,(1)非平衡状态下的pn结,外加电压下，pn 结势垒的变化及载流子的运动,Depletion region will be larger,外加直流电压下， pn结的能带图,(2)理想pn结模型及其电流电压方程,理想pn结模型 小注入条件； 突变耗尽层条件；

5、 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用； 玻耳兹曼边界条件,理想pn结模型电流电压方程求解,n结的电流电压特性,定性图象 正向偏压下,势垒降低, 正向电流随正向电压的增加很快增加. 反向偏压下,势垒升高, 反向电流很小,并可达到饱和.,单向导电性整流效应,正向偏压,反向偏压, pn结电容的来源电容效应pn结有整流效应，但又含破坏整流特性因素-pn结电容低频电压下， pn结起整流作用电压频率增高时，整流特性变坏，甚至没有整流效应讨论pn结的电容特性势垒电容，扩散电容,3 pn结电容,势垒电容 CT 当pn结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应

6、. 当pn结上外加的正向电压增加，势垒高度降低空间电荷减少； 当pn结上外加的反向电压增加，势垒高度增加空间电荷增加；,电容效应,扩散电容 CD 当pn结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应. 当正向偏置电压增加，扩散区内的非平衡载流子积累很快增加 在反向偏置下，非平衡载流子数变化不大,扩散电容可忽略pn结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化微分电容: C=dQ/dV,突变结的势垒电容突变结的势垒区中电场、电势分布,突变结的势垒宽度XD,n结的隧道效应,隧道效应能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒. 这是一种量子力学效应 隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚

7、度有关. 隧道二极管利用量子隧穿现象的器件效应,隧道结 pn结, 两边都是重掺杂(简并情况), 以至在p区, EF进入价带; 在n区, EF进入导带.结果: n区的导带底部与p区的价带顶部在能量上发生交叠 势垒十分薄电子可以隧道贯穿势垒区.,J,V,Jp,Jv,Vv,Vp,0,5,4,3,2,1,隧道结的I-V特性,隧道结的I-V特性正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升,达到一个极大, (峰值电流Ip,峰值电压Vp )随后,电压增加,电流反而减少,达到一个极小,(谷值电流Iv,谷值电压Vv) 在Vp到Vv的电压范围内,出现负阻特性.当电压大于谷值电压后,电流又随电压而上升,在隧道结中,正向电流由两部分组成: 扩散电流,隧道电流扩散电流:随正向电压增加而指数增加，但在较低正向电压下，扩散电流很小隧道电流:在较低正向电压下，隧道电流是主要的分析隧道电流随外加电压变化的情况,0点平衡pn结 1点正向电流迅速上升 2点电流达到峰值 3点隧道电流减少,出现负阻 4点隧道电流等于0 5点反向电流随反向电压的增加而迅速增加,