半导体物理与器件-课件-教学ppt-作者-裴素华-第2章-PN结机理与特性.ppt
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1、第二章 PN结机理与特性,2.1 平衡PN结的机理与特性2.1.1 PN结的制备与杂质分布,在N型(或P型)半导体单晶片衬底上,分别采用不同的掺杂方法,使原来半导体的一部分变成P型,(或N型),那么在P型半导体与N型半导体的交界面处就形成了PN结,如图,合金法及其杂质分布合金法制备PN结的基本过程如图所示,扩散法及其杂质分布用扩散法制备PN结的基本过程如图,扩散结的形成过程a)氧化 b)光刻 c)P型杂质的扩散 d),离子注入法及杂质分布,扩展结的杂质分布a)恒定源杂质的分布 b)限定源杂质的分布 c)线性源变节近似,离子注入PN结及其杂质分布,外延生长法,2.1.2 平衡PN结形成与能带,1
2、 平衡PN结形成,平衡PN结空间电荷区的形成a)P区与N区载流子扩散 b)PN结空间电荷区,平衡PN结表现出来的3个主要特征:1.通过平衡PN结的静电流为零;2.在空间电荷区,两侧正负空间电荷数量相等;3.空间电荷区以外的N型区和P型区仍是电中性的。,2 平衡PN结的能带图,平衡PN结的能带图a)N型、P型半导体的能带 b)平衡PN结的能带,平衡PN结费米能级时处处相等的(证明见教材),2.1.3 平衡PN结的接触电势差,由于平衡PN结空间电荷区内存在自建电场,使得N区和P区之间存在电势差,把这个电势差称为PN结的接触电势差,用UD表示。,2.1.4 平衡PN结的载流子浓度分布,平衡PN结的载
3、流子浓度分布如图。在空间电荷区靠P边界XP处,电子浓度等于P区的平衡少子浓度nP0,而空穴浓度等于P区的平衡多子浓度PP0;在空间电荷区靠N边界XN处,空穴浓度等于N区的平衡少子浓度PN0,而电子浓度等于N区的平衡多子浓度nN0;在空间电荷区之内,空穴浓度从XP处的pP0减小到XN处的pN0,电子浓度从XN处的nN0减小到XP处的nP0。,平衡PN结载流子浓度分布a)U(x)分布 b)能带 c)载流子浓度分布,2.2 正向PN结机理与特性2.2.1 正向偏置与正向注入效应,正向偏置时PN结势垒变化及其能带图,2.2.2 正向PN结边界少子浓度和少子浓度分布,正向PN结少子浓度分布示意图,1.边
4、界少子浓度,边界少子浓度是指在空间电荷区靠N区边界XN处的空穴浓度p(XN)和靠近P区边界XP处的电子浓度n(XP)。,正向PN结少子浓度分布示意图,正向PN结的少子分布及其准费米能级,靠近P区边界Xp处的电子浓度n(Xp)为,靠近N区边界XN处的空穴浓度p(XN)为,2.2.3 正向PN结电流-电压方程式,正向PN结电流的转换与传输示意图,PN结正向电流方程式:,在常温下可以近似为:,正向PN结的电流-电压关系曲线,PN结正向电流的讨论,1.PN结两边杂质浓度与正向电流的关系,P+N结的正向电流公式简化为:,PN+结的正向电流公式简化为:,高阻区杂质浓度对PN结正向电流的影响,2.扩散长度与
5、正向电流的关系,对于WL情况,P+N结的正向电流,PN+结的正向电流,扩散长度LW的示意图,3.半导体禁带宽度对正向电流的影响禁带宽度愈小,n2i 愈大,禁带宽度对正向电流的影响,4.正向电流的温度效应5.PN结的导通电压和正向压降,2.2.5 PN结的大注入效应,可以证明,特大注入时,通过PN+结的电流密度方程式为,NP+结大注入时的载流子分布,2.2.6 正向PN结空间电荷区复合电流,空间电荷区内复合电流示意图,当考虑了空间电荷区的复合电流Jr后,PN结正向总电流密度,J总=J扩+J复合=,2.3 反向PN结的机理与特性2.3.1 反向偏置与反向抽取作用,PN结的反置是指P区接电流源负极,
6、N区接电源正极。PN结的反向抽取作用是指反向结空间电荷区具有的抽取(或收集)少子的重要作用。,2.3.2 反向PN结边界少子浓度和少子浓度分布,反向PN结边界少子浓度所谓边界少子浓度是指在空间电荷区N区边界XN处的空穴浓度p(XN)和靠近P区边界Xp处的电子浓度n(Xp)。,反向PN结的准费米能级示意图,反向PN结少子浓度分布,反向PN结P区少子电子浓度分布,反向PN结N区少子电子浓度分布,2.3.3 反向PN结电流-电压方程式,1.反向PN结载流子传输与电流转换,反向PN结载流子的传输与电流传输示意图,2.反向PN结电流,利用正向PN结求扩散电流的方法,可求出PN结的反向电流为:,2.3.4
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