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第六章 pn 结. 6.1 pn 结及其能带图 6.2 pn 结电流电压特性 6.3 与理想情况的偏差*（了解）. 6.1 pn 结及其能带图. 据统计：半导体器件主要有 67 种，另外 还有 110 个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn 结 金属－半导体接触 MOS 结构 异质结 超晶格. 6.1 pn 结及其能带图. 1 p-n 结的形成和杂质分布. 在一块 n 型半导体单晶上，用适当的方法（扩散或离子注入）把 p 型杂质掺入其中，使其在不同的区域形成 p 型和 n 型，在二者的交界面处形成了 pn 结。.
E N D
第六章 pn结 6.1 pn 结及其能带图 6.2 pn结电流电压特性 6.3 与理想情况的偏差*（了解）
6.1 pn 结及其能带图 据统计：半导体器件主要有67种，另外 还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 • 金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
6.1 pn 结及其能带图 1 p-n 结的形成和杂质分布 在一块n型半导体单晶上，用适当的方法（扩散或离子注入）把p型杂质掺入其中，使其在不同的区域形成p型和n型，在二者的交界面处形成了pn结。
6.1 pn 结及其能带图 冶金结的位置 杂质浓度随位置的变化曲线
6.1 pn 结及其能带图 理想化的杂质分布近似 突变结 线性缓变结 杂质分布 x<xj, N(x)=NA x>xj, N(x)=ND （x)=qax 0
2. pn 结的形成过程和电荷再分配 (a)孤立的p型和n型区域 （b）pn结接触，p区空穴扩散到n区，在p 区边界剩下NA-；n区电子扩散到p区， 在n边界剩下ND+ (c) NA-,ND+形成内建电场，方向从n→p (d) 内电场的作用下，载流子漂移 （e) 扩散流=漂移流，总电流为0，达到热 平衡 （f)空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布 达到稳定。
6.1 pn 结及其能带图 3. pn结热平衡时的能带图 方法一 电场从n区指向p区，电势从n区到p区逐渐降低，电子的电势能增加，空间电荷区能带发生弯曲，正是空间电荷区中电势能变化的结果。 方法二
6.1 pn 结及其能带图 平衡pn结中的电势和电势能
6.1 pn 结及其能带图 4. pn结中电场、电势和电荷分布 内建电势Vbi：热平衡条件下的耗尽区电压称为内建电势，它是一个非常重要的结常数。
6.1 pn 结及其能带图 • 势垒高度qVbi • 势垒宽度xD=xn+xp
6.1 pn 结及其能带图 5.耗尽近似 • 耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似，包含两个含义： • （1）在冶金结附近区域，-xp<x<xn,与净杂质浓度相比，载流子浓度可忽略不计 • （2）耗尽区以外的电荷密度处处为0。
6.2 pn结电流电压特性 将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数之间建立定性和定量的关系。 6.2.1 定性推导： 分析过程，处理方法 6.2.2定量推导： 建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。分析实际与理想公式的偏差
反偏 0偏 正偏
6.2.1 定性推导 1.热平衡状态 电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数高能量的电子能越过势垒到达P区，形成扩散流。 P区的电子到达n区不存在势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进n区，形成漂移流。 热平衡：电子的扩散流=漂移流 空穴的情况与电子类似
6.2.1 定性推导 2.加正偏电压 势垒高度降低，n型一侧有更多的电子越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成净电子扩散电流IN 同理可分析空穴形成扩散电流IP。 流过pn结的总电流I=IN+IP。 因为势垒高度随外加电压线性下降，而载流子浓度随能级指数变化，所以定性分析可得出正偏时流过pn结的电流随外加电压指数增加。
6.2.1 定性推导 正偏时的能带/电路混合图
6.2.1 定性推导 3.反向偏置： 势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成少子漂移流，同理n区的空穴漂移形成IP，因与少子相关，所以电流很小，又因为少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。
6.2.1 定性推导 反偏时的能带/电路混合图
6.2.1 定性推导 pn结的I-V特性曲线
6.2.2 定量求解方案 理想p-n结，满足以下条件的p-n结 （1）二极管工作在稳态条件下 （2）杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n0 -xp<x<xn (x)= -qNA -xp<x<0 qND 0<x<xn （3）二极管是一维的
6.2.1 定性推导 （4）小注入条件：p区：n<<pp0 n区：p<<nn0 (5) 忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与复合，故通过 势垒区的电流为常数。
6.2.1 定性推导 • 方法步骤： （1）扩散方程 （2）边界条件 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过pn结的电流
6.2.1 定性推导 由pn结定律得耗尽层的边界条件 n区 P区
6.2.1 定性推导 • 欧姆接触边界条件
6.2.3严格推导 n 区
6.2.3严格推导 p 区
6.2.4 结果分析 非对称结中，重掺杂一侧的影响较小，可忽略
6.2.4 结果分析 （4）载流子电流
6.2.4 结果分析 （4）载流子浓度
反偏 正偏 0偏
6.2.4 结果分析 讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化
例题2 将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边界10倍和20倍扩散长度的位置
热平衡 耗尽层边界 小注入条件成立： 少子在准中性区的分布
6.3 与理想情况的偏差 1。理想理论与实验的比较 击穿 Si pn结的I-V特性曲线
6.3 与理想情况的偏差 理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结果符合较好， 与Si和GaAs p-n结的实验结果偏离较大。 实际p-n结的I-V特性： （1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值，曲线斜率q/2kT （2）正向电流较大时，理论计算值比实验值大（c段） （3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系 （4）反向偏压时，实际反向电流比理论计算值大得多，而且 随反向电压的增加略有增加。
2、反向偏置的击穿 6.3 与理想情况的偏差 • 当反向电流超过允许的最大值（如1mA或1A）时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR. • 对于p+n和n+p突变结二极管中，击穿电压主要由轻掺杂一边的杂质浓度决定
6.3 与理想情况的偏差 雪崩倍增是主要击穿过程 P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图
