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复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结

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半导体器件物理复习(PN结)

半导体器件物理复习(PN结)
pn结
1、PN结（突变结和线性缓变结）的杂质分布、空间
电荷区，电场分布（泊松方程求解）
2、平衡载流子浓度和非平衡载流子浓度（分布）
3、 Fermi 能级，准Fermi 能级，平衡PN结能带图， 非平衡PN结能带图
4、推导pn结的接触电势差
5、非平衡PN结载流子的注入和抽取,过剩载流子的 产生与复合
6、推导理想二极管的电流~电压关系，并讨论pn结的 单向导电性和温度特性。
lipn结结11pn结突变结和线性缓变结的杂质分布空间电荷区电场分布泊松方程求解22平衡载流子浓度和非平衡载流子浓度分布3fermi能级准fermi能级平衡pn结能带图非平衡pn结能带图44推导pn结的接触电势差55非平衡pn结载流子的注入和抽取过剩载流子的产生与复合66推导理想二极管的电流电压关系并讨论pn结的单向导电性和温度特性
开关速度？
半导体器件物理
© Dr. B. Li
7、PN结大注入效应。比较pn结自建电场和大注入自

建电场的异同点。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
8 分析PN结偏离理想情况的原因
9 势垒电容与扩散电容的产生机制 10 三种pn结击穿机构 11 雪崩击穿的条件？讨论影响雪崩击穿电压的条件。 12 PN结的交流等效电路？ 13 PN结的开关特性，贮存时间的影响因素。如何提高

第五章-PN-结

第五章-PN-结
（1）势垒电容 （2）扩散电容
（a）平衡p-n结势垒区； （b）正偏时，势垒区变窄； （c）正偏时，p-n结载流子变化
PN结电容的计算
突变结势垒电容公式
①突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减小结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径； ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。以上结论在半导体器件的设计和生产中有重要的实际意义。
图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； （3）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； （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏
—— 非平衡载流子 —— PN结的正向注入
电子扩散电流密度
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 倍
和
比较得到
正向注入，P区边界电子的浓度变为
边界处非平衡载流子浓度
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散 —— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
(3)．热电击穿
当p-n结上施加反向电压时，流过p-n结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。 反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。如此反复循环下去，最后使Js无限增长而发生击穿。这种由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿。对于禁带宽度比较小的半导体如锗p-n结，由于反向饱和电流密度较大，在室温下这种击穿很重要。

复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结

复旦大学(微电子)半导体器件第五章PN结

第五章结•平衡态PN结；•PN结的伏安特性；•PN结的电容；•PN结的击穿特性；•PN结二极管的开关特性；•金-半肖特基接触和欧姆接触；•异质结：半导体器件的基本结构－PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。

•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡情况下净电流为零。

平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷区正负电荷相等；•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；•热平衡情况下费米能级保持水平；•空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。

在该区域：导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。

注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。

⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =正向电压下的窄势垒模型•势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平；•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费米能级。

该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。

从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。

•因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区边界计算电流。

•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。

•在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。

pn结的形成原理

pn结的形成原理

pn结的形成原理
1 什么是 pn 结
PN 结是一种构造于两种不同材料之间的半导体器件。

PN结由一种掺有三价杂质的半导体（如硼掺入硅）和一种掺有五价杂质的半导体（如磷掺入硅）组成。

当它们被熔合在一起时，掺杂的材料会互相扩散，形成一个电势降和电场。

2 PN 结的形成原理
半导体中的掺杂，可以有效地改变其导电性质。

在半导体中，掺
入三价杂质如硼可以形成电子空位，形成类似于p型材料的区域，称
为p区；掺入五价杂质如磷可以形成多余的电子，形成n型材料的区域，称为n区。

当一个p区和一个n区接触，原来分布于两个区域中的自由电子
和空穴会相互扩散，形成一个电势降和电场。

电子从n区移动到p区，空穴从p区移动到n区，大部分通过复合相互消失，少部分在pn结中
留下尘埃，产生电流。

PN结具有导电性和单向性。

当PN结处于正向电压时，如p区为正电，n区为负电，自由电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散，使得PN结的电流变大，这称为正向电压。

如果PN结处于反向电压时，如p区为负电，n区为正电，此时自
由电子受到PN结场的吸引，移向n区，空穴移向p区。

由于电子与空
穴相互扩散后，在受到PN结场的阻抗下变得微不足道，所以反向电压
条件下，PN结不导电，这称为反向电压。

3 PN 结的应用
PN结是半导体器件中最基本的构件之一，它有许多应用，例如用
于制造二极管、晶体管和场效应晶体管等器件。

PN结还可以作为太阳
电池和CMOS象元等集成电路器件中的基本单元。

在现代光电子技术中，PN结也常被用作光检测器或光电转换器件，将光子能量转换成电子能量。

半导体物理学中的pn结

半导体物理学中的pn结

半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。

而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。

本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。

一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。

p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。

n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。

当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。

二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。

n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。

由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。

同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。

这就是常说的耗尽区。

在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。

而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。

当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。

反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。

三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。

而在反向偏置下则会截止，不导电。

这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。

2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。

在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。

3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。

这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。

四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。

2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。

复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告

复旦大学 物理实验(上) 半导体PN结的物理特性实验报告

半导体PN结的物理特性实验目的与要求1、学会用运算放大器组成电流-电压变换器的方法测量弱电流。

2、研究PN结的正向电流与电压之间的关系。

3、学习通过实验数据处理求得经验公式的方法。

实验原理PN 结的物理特性测量由半导体物理学中有关PN 结的研究，可以得出PN 结的正向电流一电压关系满足（1）式中I是通过PN 结的正向电流，I0是不随电压变化的常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降. 由于在常温(300 K)下，KT/e =0,026 V，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则e eU/kT>>l，(1)式括号内-1 项完全可以忽略，于是有(2)即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化. 若测得PN 结I-U关系值，则利用(2)式可以求出e/kT. 在测得温度T 后，就可以得到e/k 常数，然后将电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。

在实际测量中，为了提高测量玻尔兹曼常数的正确性，利用集成运算放大器组成的电流-电压变换器输人阻抗极小的特点，常用半导体三极管的集电极c与基极b短接(共基极)来代替PN结进行测量. 具体线路如图下实验仪器PN结实验仪、TIP31型三极管、恒温装置1 、直流电源和数字电压表，包括—15 V——0——+ 15V直流电源、1.5 V直流电源、0——2 V三位半数字电压表、四位半数字电压表.2、LF356 集成运算放大器，它的各引线脚如2脚、3 脚、4 脚、6 脚、7 脚由学生用棒针引线连接;待测样品TIP31型三极管的e、b、c 三电极可以从机壳右面接线柱接入3、不诱钢保温杯組合，它包括保温杯、内盛少量油的玻璃试管、搅拌器水银温度计等. (实验时，开始保温杯内为适量室温水，然后根据实验需要加一些热水，以改变槽内水的温度; 测量时应搅拌水，待槽内水温恒定时，进行测量）实验内容一、必做部分：1、在室温（保温杯加入适量的自来水，为什么？）下，测量PN结正向电流与电压的关系。

半导体器件物理-p-n结

E p n
EC EF EV
漂移 扩散
EC EF
扩散
EV
漂移
（b）热平衡时，在耗尽区的电场及 p-n结能带图
图3.4
热平衡状态下的p-n结
平衡费米能级(equilibrium Fermi levels) ： 在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流 经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场 造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即
耗尽区(abrupt junction)
为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑 两种重要的例子，即突变结 (abrupt junction) 和线性缓变 结(1inearly graded junction)． 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n 结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然 变换来近似表示．
热平衡状态下的p-n结
当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大 的浓度梯度，载流子会扩散．在 p侧的空穴扩散进入 n 侧，而 n 侧的电子扩散进入p侧． E 当空穴持续离开 p 侧，在结 nN － 未能 n p p 附近的部分负受主离子 A 够受到补偿，此乃因受主被固定 在半导体晶格，而空穴则可移动 漂移 EC EC EC EF ．类似地，在结附近的部分正施 扩散 +在电子离开n侧时未能 主离子 N EC D EF EF EV EF 得到补偿．因此，负空间电荷在 EV EV 接近结 p 侧形成，而正空间电荷 扩散 在接近结 n 侧形成．此空间电荷 EV 区域产生了一电场，其方向是由 漂移 正空间电荷指向负空间电荷，如 (a) 形成结前均匀掺杂p型和n型半导体 （b）热平衡时，在耗尽区的电场及 p-n结能带图 图上半部所示．

半导体物理第五章习题参考答案pn 结


ln
Nd Na ni 2
1.381023 300 1.6 1019
ln
1015 1017 (1.51010 )2
V
0.694V
(2) 当 ni＝2.31013/cm3 时：
i
kT q
ln
Nd Na ni 2
1.381023 300 1.6 1019
ln
1015 1017 (2.3 1013 )
掺杂浓度 Nd 和 Na 越高，耗尽电容越大。 4) 由自建势公式：
i
kT q
ln
Nd Na ni 2
0.7V
从而：
0.73m V 0.3V
W
20 Si q
1 Na
1 Nd
i
V
1.341104 i V m V 1 2 0.97m
3.79m
V 0 V 10V
1.4610-4 F m2
答：t<0 时，pn 结正向导通，p 区的空穴，n 区的电子不断向对方区域扩散，并 在对方区域内形成相当数量的存储积累，正向电流越大，存储载流子的数目也越 多，在 t＝0 时，外加电压突然由Va 变为 Va 时,上述存储的电荷基本不变，但电
场出现反向，因此会出现电流反向，大小保持不变的现象。在反向电压作用下， 此前注入基区的积累电荷逐渐被反向电压抽走，积累电荷浓度逐渐减小，反向电 流也随之减小，逐渐减小到反向饱和电流，pn 结转为截止状态。
qN
0
a
qNd
xp x 0 x xp , 0 x d, x xn
d x xn
结合 E d ，以及边界条件： dx
d 2
dx 2
Si
E xp E xn 0 E 0 E 0 Ed Ed

第五章-PN-结


图5－14反向偏压下p－n结的费米能级（非常 重要）
8·理想p-n结模型及其电流电压方程
符合以下假设条件的p-n结称为理想p-n结模型： • （1）小注入条件 即注入的少数载流子浓度比平衡多
数载流子浓度小得多； • （2）突变耗尽层条件即外加电压和接触电势差都降落
在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的 电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的 少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； • （3）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； • （4）玻耳兹曼边界条件即在耗尽层两端，载流子分布 满足玻耳兹曼统计分布。
• ④将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想 p-n结模型的电流电压方程式。
①根据准费米能级计算势垒区边界nn’及pp’处注入 的非平衡少数载流子浓度
p区载流子浓度与准费米能级关系为
np pp

ni ni
exp(
E
n F

Ei
kBT
exp( Ei

E
p F
kBT
)
)
n
p
(x
qVD EFn EFp
nn0

ni
exp(
EFn Ei kBT
)
，
np0

ni
exp(
EFp Ei kBT
)
• 两式相除取对数得
ln nn0 np0

1 kBT
(EFn
EFp )
np0 ni2 / NA
nn0 N D
VD

1 q
(E Fn
E Fp )
k BT q
• ②突变结势垒电容和电压（VＤ—V）的平方根成反比，

半导体器件原理 第五章

堆积状态加负栅压堆积层电荷能够跟得上栅压的变化相当于栅介质平板电容oxoxox38mos电容器在堆积模式时的能带图堆积模式下当栅压微变时的微分电荷分布栅氧化层半导体界面产生空穴堆积层一个小的电压微分改变量将导致金属栅和空穴堆积电荷的微分变量发生变化平带状态所加负栅压正好等于平带电压vfb使半导体表面能带无弯曲oxoxoxoxfben39平带电容是栅氧化层厚度和掺杂浓度的函数
差，氧化层中的净空间电荷
平带条件下MOS结构的 能带图和电荷分布图
5.1.1双端MOS结构
零栅压时： Vox0+s0=- ms
平带电压:公式
金属上的电荷密度
单位面积电荷数
栅电压VG Vox s
(Vox Vox 0 ) (s s 0 ) Vox s ms
二氧化硅的电子亲和能 硅的电子亲和能
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
金属的费米能级
Ws E0 EFs e Eg 2 e fp
19
金属与半导体功函数差 二氧化硅的 （电势表示） 禁带宽度 Wm Ws φ ms e Eg 绝缘体不允许电荷在金属和半导体之 φ m (χ φ fp ) 间进行交换 2e
32
n型衬底MOS结构
| QSD 'max | eNd xdT
Cox ox / tox
VFB ms Q'ss / Cox
ms m '( '
Eg 2e
fn )
表面反型层电子密度与表面势的关系
表面处电子浓度随着表面势的增加而增大，表 面势很小的改变就可以使电子浓度迅速增加
负栅压的大小
24
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势垒两边的少子扩散流密度
np
xp
np0
exp
qVf kBT
np0
pn
xn
pn0
exp
qVf kBT
pn0
jn
Dn Ln
np0
exp
qVf kBT
1
jp
Dp Lp
pn0
exp
qV f kBT
1
电流密度和电压的关系
J Jn (xp ) J p (xn )
二极管的正向压降
• 二极管作为开关应用还需要考虑正向电压。 • 二极管导通状态是大电流工作区，它的正向电压包括：结压降、非平衡载流
子扩散区压降和电中性区体电阻压降。 • 理想结压降为：
Vj
kT q
ln
I I0
1
影响二极管开关特性的因素
• 低掺杂区的掺杂浓度高：截止电流小、小电流正 向阈值电压高而大电流时串联电阻压降小、击穿 电压低、非平衡少子寿命短开关速度快。
减少散射、可在低温下工作。
习题
• 试用窄势垒模型推导出PN结的伏安特性：
J (xn )
Jn (xn )
J p (xn )
q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p0
exp
qVf kBT
1
• 以上结果成立的条件有那些？对N+P结上式可
以简化成？
• 如果N区足够厚，那么势垒边界非平衡空穴的 扩散电流密度应该和N区非平衡空穴的复合率 有关，试利用该关系计算扩散电流密度。
pn0
p0 (x)
ni
exp
Ei EF kBT
pp0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
当
x
= xn
pn0
时
pV(px0)e=xVpD
qVD kBT
同理
n0
(
x
)
n
p
0
exp
qV (x) kBT
Xp
Xn
X
np0
nn0
exp
qVD kBT
正向电压下的窄势垒模型
• 势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子 准费米能级保持水平；
np
20
exp
qV f kT
1
pn10
ni21 N1D
exp
Eg1 kT
np20
ni22 N2A
exp
Eg 2 kT
jn jp
exp
Eg 2 Eg1 kT
•高电子迁移率晶体管
HEMT
•迁移率高 •低温工作
重点内容
• E-k能带图(本征特性)，E能带图（均匀半导体杂质缺陷能级），E-x 能带图（非均匀半导体，包括同质结、异质结等。常见于半导体器 件中）
• 势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载 流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费 米能级。该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化 大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性
• 假设理想情况包括：低掺杂的突变结、忽略势 垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
• 因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区 边界计算电流。
2kBT
ND NA
势垒宽度
xD
2
q
0
VD V
NA
1/ 2
PN结雪崩击穿
• 强电场下 载流子倍增：
• 对突变结， 击穿电压：
VBR
0 r
2q
Ec2 N eff
Ec = 2~5105 V/cm
• 反向电压使P区价带 和N区导带重叠。
• 量子力学计算发生 隧道效应的几率
隧道击穿
P
exp
8
• 平衡态：电子、空穴费米能级统一、水平。 • 势垒电容和扩散电容的表达式。 • 理想PN结伏安特性、成立的条件及实际非理想因素影响。 • 隧道击穿和雪崩击穿的机制及发生的条件。 • 提高PN结二极管开关特性的途径。 • 金－半肖特基二极管的突出优点：正向阈值电压低、没有非平衡载
流子储存效应（没有扩散电容）。 • 采用异质PN结提高发射系数的原理。 • 用二维电子气制造高电子迁移率晶体管的突出优点：
• 势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流， 非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
• 在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平 衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
载流子流动情况
jn扩
np xp
jn扩 jn漂
j p扩 j p漂
pn xn
注意：图中j是粒子流密度而不是电流密度
j p扩
外电场
反阻挡层
• 电子发射理论：
伏安特性
J(V ) A*T 2 expqns kT expqV kT 1
•
•
没有非平衡载流子，也就没有扩散电容，所以开关速度快；
阈值电压低； JST exp qV kT 1
• 反向漏电流A大* =，1击20穿(m电n*压/m低0)。Acm-2K-2
表面能级
• 半导体表面存在悬挂键，有表面态。 • 表面态中载流子分布也可以用费米
平衡PN结能带图
• 空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷 区正负电荷相等；
• 空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差； • 热平衡情况下费米能级保持水平； • 空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。在该区域：
导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
PN结电容
• 外加电压变化对空间电荷区充放电，称为势垒
电容。对突变结，耗尽层近似（忽略空间电荷区载流子电 ： 荷的贡献）
x CT
dQT dV
2
0 r q
VD Vr
N NA
AND ND
1/
2
0r D
• 外加电压变化使扩散区非平衡载流子浓度变化
的过程，称为扩散电容：
CD
dQD dV
qIF n
q
Dp Lp
pn0
Dn Ln
n
p
0
exp
qVf kBT
1
低压反向
• 上面的结果也适合于低压反向的情况
还需要考虑的非理想因素
• 小电流：势垒复合（复合 寿命）
• 大注入：扩散区电压降(双 极扩散显著引起非平衡载 流子空间电荷区电压降）
• 大电流密度：串连电阻 （电中性区压降）
• 反偏压：势垒区产生（产 生寿命）
平衡PN结两边载流子浓度的关系
p0
NV
exp
EF EV kBT
n0
NC
exp
EC EF kBT
VD
k BT q
ln
ND N A ni2
pn0
pp0
exp
qVD kBT
np0
nn0
exp
qVD kBT
平衡 PN 结中载流子浓度分布
pp0
耗尽层
nn0
p(x)
n(x)
np0
• 试比较PN结、金－半结、异质结。
第五章 结
• 平衡态PN结； • PN结的伏安特性； • PN结的电容 ； • PN结的击穿特性 ； • PN结二极管的开关特性； • 金-半肖特基接触和欧姆接触 ； • 异质结：
半导体器件的基
本结构－PN结、 金半结和异质结
PN结空间电荷区
• 由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动， 载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区 域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度， 有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
• 在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡 情况下净电流为零。
空间电荷区的电场和电势
普通物理讲过泊松方程
电势V 和空间电荷密度分布之间的关系是：
d 2V
x
，2V
dx2
r0
r0
电场E和空间电荷密度之间的关系是：
dE x ，E
dx r0
r0
只要知道空间电荷分布ρ就可以用泊松方程计算电场 和电势分布，还可以计算出势垒高度和宽度。 在耗尽层近似的情况下，空间电荷分布近似等于电离 施主或受主的杂质浓度分布。
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2mn* h2
1/ 2
E
1/ g
2
x
隧道二极管
• PN结两边重掺杂, 以致平衡态能带图 P区价带顶和N区导 带的重叠。
二极管作为开关应用
• 连接示意图
PN结二极管的开关特性
• 理想的开关在导通的时候开关的两端应该没有电 压差，而断开的时后应该没有电流流过；从导通 到截止或截止到导通的切换应该是和控制信号同 步的；截止时能够承受高电压，导通时要能够承 受大电流。
能级表示它的填充水平。 • 平衡情况下表面和体内有统一的费
米能级。 • 在表面态密度很大的时，金属和半
导体接触的表面势取决于表面态的 费米能级位置和金属功函数无关。
镜象效应和隧道效应
• 镜象效应
• 隧道效应
平衡异质结能带图
• 提高发射系数：
应用举例
j
q
Dp1 Lp1
pn10
Dn2 Ln2
• 低掺杂区厚度薄：大电流时串联电阻小、储存电 荷少、开关速度快、如果比击穿电压时耗尽层宽 度薄就会降低击穿电压。
• 缩短非平衡载流子寿命：提高开关速度、增大截 止电流和增大正向压降。
• 增大结面积：增大工作电流、降低开关速度。
金－半肖特基结
• 平衡能带图
（Wm > Ws）
Wm < Ws态，类似一个开关作 用。但是它导通的时后两端有电压降，截止状态 还有电流，状态的切换过程有一定的时间延迟， 反向电压高了会击穿，导通电流大了会烧坏