半導(dǎo)體器件之pn結(jié)器件

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1、pn結(jié)二極管pn結(jié)二極管pn結(jié)靜態(tài)特性回顧理想pn結(jié)正偏電流-電壓特性pn結(jié)的小信號模型空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生與復(fù)合電流（非理想特性）pn結(jié)二極管的擊穿特性pn結(jié)二極管的開關(guān)特性同質(zhì)pn結(jié)性質(zhì)回顧同一均勻半導(dǎo)體冶金結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場耗盡區(qū)零偏pn結(jié)pn結(jié)的零偏、反偏和正偏零偏狀態(tài)下內(nèi)建電勢差形成的勢壘維持著p區(qū)和n區(qū)內(nèi)載流子的平衡內(nèi)建電場造成的漂移電流和擴散電流相平衡pn結(jié)兩端加正向偏壓Va后，Va基本上全降落在耗盡區(qū)的勢壘上；由于耗盡區(qū)中載流子濃度很小，與中性P區(qū)和N區(qū)的體電阻相比耗盡區(qū)電阻很大。勢壘高度由平

2、衡時的eVbi降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置電壓Va在勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電場與自建電場方向相反，勢壘區(qū)中的電場強度減弱，并相應(yīng)的使空間電荷數(shù)量減少，勢壘區(qū)寬度變窄。產(chǎn)生了凈擴散流；電子：N區(qū)→P區(qū)空穴：P區(qū)→N區(qū)熱平衡時載流子漂移流與擴散流相互抵消的平衡被打破：勢壘高度降低，勢壘區(qū)中電場減弱，相應(yīng)漂移運動減弱，因而使得漂移運動小于擴散運動，產(chǎn)生了凈擴散流。在空間電荷區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生了過剩載流子；通過勢壘區(qū)進入P區(qū)的電子和進入N區(qū)的空穴分別在界面（-xp和xn）處積累，從而產(chǎn)生了過剩載流子。這稱為正向注入，由于注

3、入的載流子對它進入的區(qū)域來說都是少子，所以又稱為少子注入。對于注入的少子濃度遠(yuǎn)小于進入?yún)^(qū)多子濃度的情況稱為小注入。邊界上注入的過剩載流子，不斷向體內(nèi)擴散，經(jīng)過大約幾個擴散長度后，又恢復(fù)到了平衡值。理想PN結(jié)電流－電壓特性方程的四個基本假設(shè)條件：PN結(jié)為突變結(jié)，可以采用理想的耗盡層近似，耗盡區(qū)以外為中性區(qū)；載流子分布滿足麥克斯韋－玻爾茲曼近似；滿足小注入的條件；通過PN結(jié)的總電流是一個恒定的常數(shù)；電子電流和空穴電流在PN結(jié)中各處是一個連續(xù)函數(shù)；電子電流和空穴電流在PN結(jié)耗盡區(qū)中各處保持為恒定常數(shù)。推導(dǎo)理想PN結(jié)

4、電流－電壓特性方程時所用到的各種物理量符號如表所示邊界條件加正向偏壓后，空間電荷區(qū)勢壘高度降低，內(nèi)建電場減弱勢壘降低空間電荷區(qū)縮短內(nèi)建電場減弱擴散電流>漂移電流空間電荷區(qū)邊界處少數(shù)載流子濃度注入采取小注入假設(shè)，多子濃度nn0基本保持不變，nn=nn0偏置狀態(tài)下p區(qū)空間電荷區(qū)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度注入水平和偏置電壓有關(guān)P區(qū)少子電子的濃度比熱平衡時值大很多注入到p（n）型區(qū)中的電子（空穴）會進一步擴散和復(fù)合，因此公式給出的實際上是耗盡區(qū)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度。上述邊界條件雖然是根據(jù)pn結(jié)正偏條件導(dǎo)

5、出的，但是對于反偏情況也是適用的。因而當(dāng)反偏電壓足夠高時，從上述兩式可見，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度基本為零。正偏pn結(jié)耗盡區(qū)邊界處少數(shù)載流子濃度的變化情況反偏pn結(jié)耗盡區(qū)邊界處少數(shù)載流子濃度的變化情況例8.1少數(shù)載流子分布假設(shè)：中性區(qū)內(nèi)電場為0無產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)pn結(jié)長pn結(jié)作業(yè)題6.11，例8.4===小注入n型半導(dǎo)體N區(qū)內(nèi)過剩少子電子的雙極運輸方程小注入電子的壽命雙極擴散系數(shù)雙極遷移率過剩載流子產(chǎn)生率過剩載流子復(fù)合率邊界條件雙極輸運方程可以簡化為：長pn結(jié)雙極輸運方程的通解為：從邊界條件可以確定系數(shù)A=D=0

6、，同時，在xn、x-p處的邊界條件可以得出：由此，我們可以得出PN結(jié)處于正偏和反偏條件時，耗盡區(qū)邊界處的少數(shù)載流子分布正偏反偏理想pn結(jié)電流pn結(jié)電流為空穴電流和電子電流之和空間電荷區(qū)內(nèi)電子電流和空穴電流為定值因此耗盡區(qū)靠近N型區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴散電流密度為：在pn結(jié)均勻摻雜的條件下，上式可以表示為：利用前邊求得的少子分布公式，可以得到耗盡區(qū)靠近N型區(qū)一側(cè)邊界處空穴的擴散電流密度為：在pn結(jié)正偏條件下，空穴電流密度是沿著x軸正向的，即從p型區(qū)流向N型區(qū)。類似地，我們可以計算出耗盡區(qū)靠近P型區(qū)一側(cè)邊界處電子的

7、擴散電流密度為：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以簡化為：在pn結(jié)正偏條件下，上述電子電流密度也是沿著x軸正方向的。若假設(shè)電子電流和空穴電流在通過pn結(jié)耗盡區(qū)時保持不變，則流過pn結(jié)的總電流為：上式即為理想pn結(jié)的電流-電壓特性方程，我們可以進一步定義Js為：則理想pn結(jié)的電流-電壓特性可簡化為：盡管理想pn結(jié)電流-電壓方程是根據(jù)正偏pn結(jié)推導(dǎo)出來的，但它同樣應(yīng)當(dāng)適用于理想的反偏狀態(tài)?？梢钥吹?，反偏時，電流飽和為Js當(dāng)PN結(jié)正偏電壓遠(yuǎn)大于Vt時，上述電流－電壓特性方程中的－1項就可以忽略不計。PN結(jié)二極管

8、的I－V特性及其電路符號如下圖所示。物理意義總結(jié)：PN結(jié)耗盡區(qū)兩側(cè)少子的擴散電流分別為：可見，少子擴散電流呈指數(shù)下降，而流過PN結(jié)的總電流不變，二者之差就是多子的漂移電流。以N型區(qū)中的電子電流為例，它不僅提供向P型區(qū)中擴散的少子電子電流，而且還提供與P型區(qū)中注入過來的過剩少子空穴電流相復(fù)合的電子電流。因此在流過PN結(jié)的正向電流中，電子電流與空穴電流的相互轉(zhuǎn)換情況如下頁圖所示。例8.4在流過PN結(jié)的正