PN结与二极管原理解析ppt课件.ppt
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1、P-N 结,P-N junction,2.1 平衡PN结2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布2.2 PN结的直流特性2.2.1 PN结的正向特性2.2.2 PN结的反向特性2.2.3 PN结的伏安特性2.2.4 影响PN结伏安特性的因素2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度2.4 PN结的击穿特性2.4.1 击穿机理2.4.2 雪崩击穿电压2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素,2.5 PN结的电容效应2.5.1 PN结的势垒电容2.5.2
2、 PN结的扩散电容2.6 PN结的开关特性2.6.1 PN结的开关作用2.6.2 PN结的反向恢复时间2.6.3 提高PN结开关速度的途径2.7 金属半导体的整流接触和欧姆接触2.7.1 金属半导体接触的表面势垒2.7.2 金属半导体接触的整流效应与肖特基二极管2.7.3 欧姆接触,2.1 平衡 PN 结,在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处,会形成一个具有特殊电学性能过渡区域;,平衡PN结就是指没有外加电压、光照和辐射等 的PN结。,结面,基体,衬底(外延层),2.1.1 PN结的杂质分布状态,合金法,扩散法(主流),离子注入法,突变结,缓变结,1016/cm3,1019/cm3,结深,
3、与突变结相似,2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图,空穴为少子,电子为多子,空穴为多子,电子为少子,相互接触时,在交界面处存在着电子和空穴的浓度差,各区中的多子发生扩散,并复合、消耗;,1、空间电荷区的形成,空穴,电子,交界区域就形成了空间电荷区(也叫空间电荷层、耗尽层),空间电荷区中,形成一个自建电场,电子,空穴,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻,以带负电的电子为例:,漂移运动 电场力 少子,扩散运动 浓度差 多子,动态平衡两个相反的运动大小相等、方向相反;,思考:自建电场对各区中的少子发生什么影响?,电子,空穴,由于耗尽层的存在,PN结的电阻很大。,?,2、能带状态图,没有外
4、加电压,费米能级应处处相等;即 :两个区的费米能级拉平 。,各自独立时,接触时,电场,电场方向是电势降落的方向;,定义电势能:,平衡后,能带图是按电子能量的高低画,P区电子的电势能比N区的高,PN结接触电势差,在空间电荷区内,能带发生弯曲,电子从势能低的N区向势能高的P区运动时,必须克服这个势能“高坡” PN结势垒,势能坡垒,空间电荷区,3、PN结 接触电势差,For n-type region,For p-type region,即有,式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度;,UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度(体现在材料的本征载流子浓度 ni 上)有关。在一定温度下,N
5、区和P区的净杂质浓度越大,即N区和P区的电阻率越低,接触电势差UD越大;禁带宽度越大,ni 越小, UD也越大。,室温下,硅的,= 0.70 V,锗的,= 0.32 V,NA=1017/cm3,ND=1015/cm3,2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布,空间电荷区,少子,少子,多子,多子,扩散区,分布按指数规律变化,耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽;,n:电子,:空穴,Depletion layer,空间电荷区为高阻区,因为缺少载流子;,自建电场,2.2 PN结的非平衡双向直流特性,PN结非平衡状态在PN结上施加偏置(Bias)电压 ;,PN结的P区接电源正极为正向偏置(
6、称正偏 forward biased),否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased),并假设:, P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度; P型区和N型区电阻率足够低,外加电压全部降落在势垒区,势垒区外没有电场; 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,空间电荷区不存在载流子的产生与复合; 不考虑表面的影响,且载流子在PN结中做一维运动; 假设为小注入,即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。,Low-level injection,2.2.1 PN结的正向偏置特性,1、正偏能带变化图,非平衡,平衡时,外加电场,势垒宽度变窄,电场被削弱,势垒高度降低,正偏使势垒区电场削弱,破坏了原来的动态平
7、衡,载流子的扩散作用超过漂移作用,所以有净扩散电流流过PN结,构成PN结的正向电流。,2、外加多子正向注入效应,非平衡不同区的少子浓度分布,比较:平衡PN结,注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方式运动,即在边界附近积累形成浓度梯度,并向体内扩散,同时进行复合,最终形成一个稳态分布。,两边的多子易通过势垒区,电阻很小,空穴,电子,3、正向扩散区边界少子浓度和分布,空穴扩散区,电子扩散区,平衡被破坏,在扩散区和势垒区,电子和空穴没有统一的费米能级,这时只能用准费米能级表示 。,势垒区,两边界的少子分布,非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减 。,准费米能级,边界,4、正向电流
8、转换和传输,比较:平衡PN结,漂移,扩散,复合,扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。PN结内任意截面的电流是连续的。,Forward-active regime,正向注入,5、PN结的正向电流-电压关系,PN结内各处的电流是连续的,则通过PN结的任意截面电流都一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 处的电子电流和空穴电流,就是总的PN结电流:,N区非平衡少子-空穴的分布函数为:,空穴扩散电流密度为:,其中,负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随 增加而减小,在 处( 的边界处)空穴电流密度为:,同理,把注入P区边界 的非平衡电子的浓度 ,乘以电子的扩散速度
9、 、电量 和PN结的截面积 ,便可以得到在 处注入 区的电子扩散电流 :,正向电流-电压关系,I0 是不随外加正偏压而变化的。,在常温(300 K)下,可近似为,即: 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大 重要特性,2.2.2 PN结的反向特性,1、反向抽取作用反向PN结空间电荷区具有“抽取”少子的作用;,电场加强,宽度变宽,平衡,非平衡,扩散,扩散,电场反向抽取,势垒加高,注入少子,多子,比较:平衡PN结,多子被阻挡无大电流少子做贡献微电流作用电阻很大,2、反向边界少子浓度和分布,2,平衡PN结,由于反向抽取,边界处少子浓度低于平衡值 。,电场加强,扩散长度,少子,少子平衡值,反向偏
10、置时,漂移大于扩散,少子平衡值,少子,边界,边界,负指数变化,反向电流的转换和传输,本质,空穴电流,电子电流,漂移,扫过,扩散,反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。一般情况下,少子浓度都很小,因而反向电流也很小。,Reverse regime,少子,少子,边界,电子电流,空穴电流,多子被阻挡,边界,IR,2,反向饱和电流,反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为,为反向饱和电流,,随着反向电压U的增大,IR 将趋于一个恒定值 -I0,因 少子浓度与本征载流子浓度成正比,并且随温度升高而快速增大。所以,反向扩散电流对温度十分敏感,随温度升高而快速增大。,在300 K时,
11、UT26 mV,这时 PN结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻值很大, 高达几百千欧以上。,令,2.2.3 PN结的正、反向V-A特性,将PN结的正向特性和反向特性组合起来,正向电流很小,导通电压UTH(称门槛电压)正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压正常工作区的边界;,急剧增大,室温时,锗PN结的导通电压约为0.25 V,硅PN结为0.5 V。,Eg /q,反向饱和电流,图有问题!,单向导电性,正向电压正向导通;正向注入使边界少数载流子浓度增加很大 ,成指数规律增加,电流随着电压的增加快速增大;,反向电压反向截止 ;反向抽取使边界少数载流子浓度减少,很快趋向于零,电压增
12、加时电流趋于“饱和” ;,正向电阻小,反向电阻大,leakage,正向导通,多数载流子扩散电流;反向截止,少数载流子漂移电流;,2.2.4 影响PN结伏安特性的因素(简述)V-A特性的偏离原因,引起与实验结果偏离的主要原因有:,1. 正向PN结空间电荷区复合电流;,2. 反向PN结空间电荷区的产生电流;,3PN结表面复合和产生电流;,4. 串联电阻的影响;,5. 大注入的影响;,大注入(High-level injection)注入的非平衡少子浓度 大于平衡时多子的浓度;,6. 温度的影响;,空间电荷的影响,分压压降的影响,小注入条件被破坏,少子的影响增强(本征激发),1. 正向PN结空间电荷
13、区复合电流;,正偏时,由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入,载流子浓度高于平衡值;,浓度相差很大复合影响不显著,浓度相差很大复合影响不显著,电子和空穴浓度基本相等复合影响显著,复合地点不同,通过空间电荷区复合中心的复合相对较强,2. 反向PN结空间电荷区的产生电流;,反偏时,由于空间电荷区对载流子的抽取作用,空间电荷区内载流子浓度低于平衡值,故产生率大于复合率;,产生出来的电子空穴对,产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流;,空间电荷区宽度随着反向偏压的增大而展宽,电荷区的数目增多,产生电流是随反向偏压增大而增大。,3PN结表面复合和产生电流;,PN结的空间电荷区被延展、扩大;,表面空
14、间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大,跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似。,(1) 表面电荷引起表面空间电荷区,表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和反响的产生电流,表面空间电荷越大,引起的附加的电流也就越大。,界面态的复合和产生作用,也同样由于表面空间电荷区而得到加强,它们对PN结也将引进附加的复合和产生电流。,(2) 硅二氧化硅交界面的界面态,表面沟道电流,表面漏导电流,衬底,正电荷较多,形成N型反型层,PN结面积增大,因而反向电流增大。,表面玷污,引起表面漏电,也将产生反向电流增加,?,反偏,4. 串联电阻的影响,PN结的串联电阻(包括体电阻和欧姆接触电阻)RS,RS
15、,结上电压降,当电流足够大时,外加电压的增加主要降落在串联电阻上,电流电压特性近似线性关系。,解决办法,减小体电阻,5. 大注入的影响,P,N+,E,正向大电流;,注入P区的非平衡少子电子将产生积累;,维持电中性必然要求多子空穴也有相同的积累;,多子空穴存在浓度梯度,使空穴产生扩散,一旦空穴离开,P区的电中性被打破,在P区必然建立起一个电场E,阻止空穴的扩散以维持电中性,该电场为大注入自建电场。该电场的方向是阻止空穴扩散,但有助于加速电子的扩散。,修正的正向电流:,P,相比小注入, 大注入的特点,1、大注入时,空穴的电流密度与P区杂质的浓度 无关 原因:电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的
16、浓度,出现了空穴的积累。2、大注入时,少子电子的扩散系数增加一倍 原因: P区产生自建电场,使少子电子扩散的同时,产生漂移3、小注入时,电流为 ;大注入时,电流为 原因:电流增大后,电压不完全降落在空间电荷区域,有一部分降落在P区,6. 温度的影响,随温度变化的程度,起决定作用的要算 ni,随着温度的升高,PN结正、反向电流都会迅速增大。,在室温附近,锗PN结,温度每增加 10,I0 增加一倍; 温度每增加 1,正向导通电压下降 2mV; 硅PN结,温度每增加 6, I0 增加一倍; 温度每增加 1,正向导通电压下降 1mV 。,2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度,采用“耗尽层”近似:,电子
17、,空穴, 空间电荷区不存在自由载流子,只存在电离施主和电离受主的固定电荷; 空间电荷区边界是突变的,边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零。,2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度,平衡时空间电荷区的宽度:,Xm = XP + XN,宽度与它们的杂质浓度成反比;,非对称空间电荷区,净施主浓度,净受主浓度,结,P,N,电场强度(等于通过单位横截面积的电力线数目)在空间电荷区内各处是不相同的;,平衡时最大场强为,半导体的电容率,交界面上,真空中每库仑电荷发出的电力线数目为:,在P区,在N区,突变结电场分布,场强最大,场强为零,场强为零,直线的斜率正比于掺杂浓度,s,s,单边突变结若
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