半导体器件之pn结器件.pptx

pn结二极管
pn结静态特性回顾

理想pn结正偏电流-电压特性

pn结的小信号模型

空间电荷区中的产生与复合电流（非理想特性）

pn结二极管的击穿特性

pn结二极管的开关特性
同质pn结性质回顾
同一均匀半导体
冶金结
空间电荷区
内建电场
耗尽区
零偏pn结
pn结的零偏、反偏和正偏
零偏状态下
内建电势差形成的势垒维持着p区和n区内载流子的平衡
内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡
pn结两端加正向偏压Va后，Va基本上全降落在耗尽区的势垒上；
由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性P区和N区的体电阻相比耗尽区电阻很大。
势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置电压Va在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。产生了净扩散流；电子：N区→P区 空穴：P区→N区
热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了净扩散流。理想PN结电流－电压特性方程的四个基本假设条件：
PN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；
载流子分布满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似；
满足小注入的条件；
通过PN结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空穴电流在PN结中各处是一个连续函数；电子电流和空穴电流在PN结耗尽区中各处保持为恒定常数。推导理想PN结电流－电压特性方程时所用到的各种物理量符号如表所示边界条件加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度 注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。正偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况边界条件双极输运方程的通解为： 由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处的少数载流子分布理想pn结电流
pn结电流为空穴电流和电子电流之和
空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值因此耗尽区靠近N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在pn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x轴正向的，即从p型区流向N型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近P型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：上式即为理想pn结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义Js为：当PN结正偏电压远大于Vt时，上述电流－电压特性方程中的－1项就可以忽略不计。PN结二极管的I－V特性及其电路符号如下图所示。物理意义总结：PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：在流过PN结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。正偏电流图像
当电流由P区进入时，几乎全部为空穴的漂移电流；空穴在外电场作用下向电源负极漂移；
由于少子浓度远小于多子浓度可以认为这个电流完全由多子空穴携带。
空穴沿x方向进入电子扩散区以后，一部分与N区注入进来的电子不断地复合，其携带的电流转化为电子扩散电流； 另一部分未被复合的空穴继沿x方向漂移，到达-xp的空穴电流，通过势垒区；
若忽略势垒区中的载流子产生-复合，则可看成它全部到达了xn处，然后以扩散运动继续向前，在N区中的空穴扩散区内形成空穴扩散流；反偏电流图像
pn在反向偏置下，
P区的多子空穴受外电场的作用向P区的负电极漂移，同时增强的空间电荷区电场也不断地把N区的少子空穴拉过来；
N区的电子受外电场作用向N区的欧姆接触正电极漂移，同时空间电荷区自建电场亦不断地把P区的少子电子拉过来；
N区边界xn处的空穴被势垒区的强电场驱向P区，而P区边界-xp处的电子被驱向N区，当这些少数载流子被电场驱走后，内部的少子就来补充，形成反偏下的空穴扩散电流和电子扩散电流。这种情况好象少数载流子不断地被抽向对方，所以称为少数载流子的抽取。温度效应：理想PN结二极管的反向饱和电流密度JS是热平衡条件下少子浓度np0和pn0的函数：温度效应对PN结二极管正、反向I－V特性的影响如下图所示。可见，温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向导通电压下降。短二极管在前面的分析中，我们假设理想PN结二极管N型区和P型区的长度远大于少子的扩散长度。实际PN结中往往有一侧的长度小于扩散长度，如下图所示，N型区的长度Wn<Lp，此时N型区中过剩少子空穴的稳态输运方程为：其在x=xn处的边界条件仍然为：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：由上式可见此时短N型区中过剩少子空穴的浓度呈线性分布。N型区中少子空穴的扩散电流密度为对于三种可能的N型区长