對(duì)于單邊突變結(jié)

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1、固體電子器件第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(知識(shí)回顧）第二章PN結(jié)理論第三章雙極晶體管第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管第五章電力電子器件第六章光電子器件p-n結(jié)是同一塊半導(dǎo)體中p型區(qū)與n型區(qū)交界面及其兩側(cè)很薄的過渡區(qū)。它既可以單獨(dú)構(gòu)成半導(dǎo)體器件，也是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基本單元。P區(qū)NAN區(qū)ND什么是PN結(jié)？第二章PN結(jié)本章所討論的PN結(jié)為理想的平行平面結(jié)，即界面為平面，平行于與其相對(duì)的兩個(gè)端面，如圖所示。如果結(jié)面積足夠大，且摻雜濃度只在垂直于結(jié)的方向（x方向）變化，就可采用一維的半導(dǎo)體方程。什么是理想平行平面結(jié)？2.1PN結(jié)的

2、平衡狀態(tài)2.2準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)2.3PN結(jié)V-I特性2.4大注入效應(yīng)2.5PN結(jié)的擊穿2.6PN結(jié)的電容2.7PN結(jié)的開關(guān)特性2.8PN結(jié)二極管第二章PN結(jié)內(nèi)容2.1PN結(jié)的平衡狀態(tài)2.1.1PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成2.1.2內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)和耗盡層寬度2.1.3平衡pn結(jié)能帶圖與載流子分布2.1.4耗盡近似的適用性平衡狀態(tài)---PN結(jié)內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定，不存在外加電壓、光照、磁場(chǎng)、輻射等外作用。內(nèi)容2.1.1PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0ND+nn0平衡狀態(tài)下的PN結(jié)在

3、結(jié)的兩側(cè)的很窄的區(qū)域存在由施主離子和受主離子產(chǎn)生的空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。空間電荷區(qū)的形成利用nopo=ni2的關(guān)系，可得：P區(qū)：N區(qū)：平衡少子P區(qū)：N區(qū)：平衡多子P區(qū)N區(qū)NA-，pp0ND+，nn0濃度差擴(kuò)散電場(chǎng)擴(kuò)散+漂移一定寬度的穩(wěn)定空間電荷區(qū)動(dòng)態(tài)平衡突變結(jié)---P區(qū)與N區(qū)的雜質(zhì)濃度都是均勻的，雜質(zhì)濃度在冶金結(jié)面處（x=0）發(fā)生突變。當(dāng)一側(cè)的濃度遠(yuǎn)大于另一側(cè)時(shí)，稱為單邊突變結(jié)，分別記為PN+單邊突變結(jié)和P+N單邊突變結(jié)。線性緩變結(jié)---冶金結(jié)面兩側(cè)的雜質(zhì)濃度均隨距離作線性變化，雜

4、質(zhì)濃度梯a為常數(shù)。2.1.2內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)和耗盡層寬度1)簡(jiǎn)化近似：簡(jiǎn)化近似一：耗盡近似---認(rèn)為空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子完全擴(kuò)散掉，即完全耗盡，空間電荷僅由電離雜質(zhì)提供。這時(shí)空間電荷區(qū)又可稱為“耗盡區(qū)”。中性近似---認(rèn)為在耗盡區(qū)以外多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，因而保持電中性。這時(shí)這部分區(qū)域又可稱為“中性區(qū)”。簡(jiǎn)化近似二：內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0ND+nn0在N區(qū)的耗盡區(qū)中，根據(jù)耗盡近似，寫出泊松方程成為：PN上式也可寫成：（因）利用邊界條件：可得：2)突變結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)和

5、耗盡層寬度的分析：PN同理可在P區(qū)耗盡區(qū)中求解泊松方程得：在x=0處，ε(x)達(dá)到最大值：由上式可求出N區(qū)與P區(qū)的耗盡區(qū)寬度：總的耗盡區(qū)寬度：對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)作積分可得內(nèi)建電勢(shì)（也稱為擴(kuò)散電勢(shì)）：以上建立了3個(gè)方程，但有4個(gè)未知量，即、、和。下面用另一種方法來求解。PN對(duì)積分即可求出內(nèi)建電勢(shì)為：從上式可解出內(nèi)建電場(chǎng)：已知在平衡狀態(tài)下，凈的空穴電流密度為零，故由空穴的電流密度方程可得：利用愛因斯坦關(guān)系式由于，，故得：由上式可見，Vbi與摻雜濃度、ni（或EG及溫度T）有關(guān)。在常用的摻雜濃度范圍和室溫下，硅的Vbi

6、約為0.75V，鍺的約為0.35V。最后可得：PN內(nèi)建電勢(shì)是電場(chǎng)分布所圍城的面積對(duì)于單邊突變結(jié)，則以上各式可簡(jiǎn)化為：對(duì)于單邊突變結(jié)，以上各式又可簡(jiǎn)化為：可見，耗盡區(qū)主要分布在低摻雜的一側(cè)，與也主要取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度。在線性緩變結(jié)中，雜質(zhì)分布為：耗盡近似下的泊松方程為：邊界條件為：積分并應(yīng)用邊界條件后得電場(chǎng)分布為：3)線性緩變結(jié)內(nèi)建電勢(shì)為：將上面關(guān)于與的兩個(gè)方程聯(lián)立，可解得：上式中：應(yīng)當(dāng)指出，以上所有關(guān)于平衡PN結(jié)的各個(gè)公式，都可以推廣到有外加電壓時(shí)的情形。如果假設(shè)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，則只需

7、將各公式中的Vbi用（Vbi–V）代替即可。注意外加電壓的參考方向與Vbi相反。1)平衡PN結(jié)能帶內(nèi)建電場(chǎng)的存在P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0nn02.1.3.平衡pn結(jié)能帶圖與載流子分布1）p區(qū)導(dǎo)帶底比n區(qū)高qVbi，P區(qū)價(jià)帶頂比N區(qū)高qVbi2）禁帶寬度Eg保持處處相等3）勢(shì)壘區(qū)內(nèi)能帶彎曲4）有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)由于n區(qū)的電子要進(jìn)入p區(qū)需要越過一個(gè)勢(shì)壘，所以空間電荷區(qū)又叫勢(shì)壘區(qū)。平衡載流子濃度可表為：由上圖，可表為：代入載流子濃度表達(dá)式中，得：2)載流子的濃度分布N區(qū)P區(qū)在處：在處：pponpo-xpx

8、nnnopnop(x)n(x)P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0nn02.1.4、耗盡近似的適用性泊松方程的一般表達(dá)式為：電荷密度的一般表達(dá)式為：pponpo-xpxnnnopnop(x)n(x)說明：1)耗盡層近似的最大電場(chǎng)強(qiáng)度比實(shí)際值偏大；2)正偏誤差增大；3)反偏誤差減小。預(yù)留問題：如果反偏電壓使PN結(jié)雪崩擊穿，電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生怎樣的變化？思考題：中性區(qū)近似是否準(zhǔn)確？什么樣的結(jié)構(gòu)可近似為中性區(qū)？什么樣的結(jié)構(gòu)不能近似為中性區(qū)？