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1、半导体物理与器件第八章第1页，共89页，编辑于2022年，星期五m同质同质pn结性质回顾结性质回顾同一均匀半导体同一均匀半导体冶金结冶金结空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场耗尽区耗尽区零偏零偏pn结结第2页，共89页，编辑于2022年，星期五mpn结的零偏、反偏和正偏结的零偏、反偏和正偏第3页，共89页，编辑于2022年，星期五m零偏状态下零偏状态下内建电势差形成的势垒维持着内建电势差形成的势垒维持着p区和区和n区内载流子的区内载流子的平衡平衡内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡第4页，共89页，编辑于2022年，星期五mpn 结两端加结两端加正向偏压
2、正向偏压Va后，后，Va基本上全降落在基本上全降落在耗尽区耗尽区的的势垒上；势垒上；由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性p区和区和n区的体电阻相比耗尽区电阻很区的体电阻相比耗尽区电阻很大。大。m 势垒高度由平衡时的势垒高度由平衡时的eVbi降低到了降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置电压正向偏置电压Va在势垒区中产生的电场与自建电场在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反方向相反，势垒区中的，势垒区中的电场强度减弱电场强度减弱，并相应，并相应的使空间电荷数量减少，的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄势垒区宽度变窄。第5页，共89页，编辑于2022年，星期五q产生了
3、产生了净扩散流净扩散流；电子：电子：n区区 p区区空穴：空穴：p区区 n区区m热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破平衡被打破：势垒高度降低，势：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，产生了生了净扩散流净扩散流。第6页，共89页，编辑于2022年，星期五q在空间电荷区的两侧产生了在空间电荷区的两侧产生了过剩载流子过剩载流子；m通过势垒区进入通过势垒区进入p区的电子和进入区的电子和进入n区的空穴分别在界面（区的空穴分别在界面（-xp和和xn）
4、处积）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为累，从而产生了过剩载流子。这称为正向注入正向注入，由于注入的载流子对它进，由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为入的区域来说都是少子，所以又称为少子注入少子注入。对于注入的少子浓度远小于。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为进入区多子浓度的情况称为小注入小注入。m边界上注入的过剩载流子，不断向体内边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散扩散，经过大约几个扩散长度后，经过大约几个扩散长度后，又恢复到了平衡值。又恢复到了平衡值。第7页，共89页，编辑于2022年，星期五q理想理想pn结电流电压特性方程的四个基本假设条件：结电流电压
5、特性方程的四个基本假设条件：mpn结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；以外为中性区；m载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似；载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似；m满足小注入的条件；满足小注入的条件；m通过通过pn结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空穴电流在穴电流在pn结中各处是一个连续函数；电子电流和空结中各处是一个连续函数；电子电流和空穴电流在穴电流在pn结耗尽区中各处保持为恒定常数。结耗尽区中各处保持为恒定常数。第8页，共89页，编辑于2022年，星期五m推导理想推导理想pn结电流电
6、压特性方程时所用到的各种物理量符号如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表所示名 称意 义pn结内p区受主浓度pn结内n区施主浓度热平衡状态下n区内的多子电子浓度热平衡状态下p区内的多子空穴浓度热平衡状态下p区内的少子电子浓度热平衡状态下n区内的少子空穴浓度p区内总少子电子浓度n区内总少子空穴浓度空间电荷区边缘处p区内的少子电子浓度空间电荷区边缘处n区内的少子空穴浓度p区内过剩少数载流子电子浓度n区内过剩少数载流子空穴的浓度第9页，共89页，编辑于2022年，星期五q边界条件边界条件第10页，共89页，编辑于2022年，星期五m加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场加正向
7、偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱减弱势垒降低势垒降低空间电荷区缩短空间电荷区缩短内建电场减弱内建电场减弱扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流空间电荷区边界处少数空间电荷区边界处少数载流子浓度注入载流子浓度注入第11页，共89页，编辑于2022年，星期五偏置状态下偏置状态下p区空间电荷区区空间电荷区边界处的非平衡少数载流边界处的非平衡少数载流子浓度子浓度注入水平和偏置注入水平和偏置电压有关电压有关第12页，共89页，编辑于2022年，星期五注入到注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步）型区中的电子（空穴）会进一步扩散扩散和和复合复合，因此公式给出的实际上是耗尽区因此公式给出的实际上是
8、耗尽区边界边界处的处的非平衡少数载流子浓非平衡少数载流子浓度度。上述边界条件虽然是根据上述边界条件虽然是根据pn结结正偏正偏条件导出的，但是对于反条件导出的，但是对于反偏情况也是偏情况也是适用适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的耗尽区边界处的少数载流子浓度少数载流子浓度基本为零。基本为零。第13页，共89页，编辑于2022年，星期五正偏正偏pn结耗尽区边结耗尽区边界处少数载流子浓界处少数载流子浓度的变化情况度的变化情况反偏反偏pn结耗尽区边结耗尽区边界处少数载流子浓度界处少数载流子浓度的变化情况的变化情况例例8.1第14页，
9、共89页，编辑于2022年，星期五q少数载流子分布少数载流子分布m假设：中性区内电场为假设：中性区内电场为0m无产生无产生m稳态稳态pn结结m长长pn结结例例8.4第15页，共89页，编辑于2022年，星期五边边界界条条件件双极输运方程可以简化为：双极输运方程可以简化为：长长pn结结第16页，共89页，编辑于2022年，星期五双极输运方程的通解为：双极输运方程的通解为：从边界条件可以确定系数从边界条件可以确定系数A=D=0A=D=0，同时，在，同时，在x xn n、x x-p-p处的边界条件可以处的边界条件可以得出：得出：第17页，共89页，编辑于2022年，星期五由此，我们可以得出由此，我们
10、可以得出pn结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处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的少数载流子分布正偏正偏反偏反偏第18页，共89页，编辑于2022年，星期五q理想理想pn结电流结电流mpn结电流为空穴电流和电子电流之和结电流为空穴电流和电子电流之和m空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值第19页，共89页，编辑于2022年，星期五因此耗尽区靠近因此耗尽区靠近n n型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在在pnpn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：利用前边求得的少子分布公
11、式，可以得到耗尽区靠近利用前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近n n型区一侧边型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：界处空穴的扩散电流密度为：第20页，共89页，编辑于2022年，星期五在在pnpn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x x轴正向的，即从轴正向的，即从p p型区流型区流向向n n型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近p p型区一侧边界处电子型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：的扩散电流密度为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：在在pnpn结正偏条件下，
12、上述电子电流密度也是沿着结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着x x轴正方向的。若假设轴正方向的。若假设电子电流和空穴电流在通过电子电流和空穴电流在通过pnpn结耗尽区时保持不变，则流过结耗尽区时保持不变，则流过pnpn结的总结的总电流为：电流为：第21页，共89页，编辑于2022年，星期五上式即为理想上式即为理想pnpn结的电流结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义电压特性方程，我们可以进一步定义J Js s为：为：则理想则理想pnpn结的电流结的电流-电压特性可简化为：电压特性可简化为：尽管理想尽管理想pnpn结电流结电流-电压方程是根据正偏电压方程是根据正偏pnpn结推导出来的，但它
13、同样应结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为J Js s反偏饱和电流（密度）反偏饱和电流（密度）第22页，共89页，编辑于2022年，星期五当当pnpn结正偏电压远大于结正偏电压远大于V Vt t时，上述电流电压特性方程中的时，上述电流电压特性方程中的1 1项就可项就可以忽略不计。以忽略不计。pnpn结二极管的结二极管的I IV V特性及其电路符号如下图所示。特性及其电路符号如下图所示。第23页，共89页，编辑于2022年，星期五q理想理想pn结模型的假设条件结模型的假设条件m小注入条件小注入条件注入的少
14、子浓度比平衡多子浓度小得多注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多m突变耗尽层条件突变耗尽层条件注入的少子在注入的少子在p区和区和n区是纯扩散运动区是纯扩散运动m通过耗尽层的电子和空穴电流为常量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和复合作用不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用m玻耳兹曼边界条件玻耳兹曼边界条件在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布 例例8.3第24页，共89页，编辑于2022年，星期五 可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过pnpn结的总电流不变，结的总电流不变，二者之差就是多子的漂移电流二者之
15、差就是多子的漂移电流。以。以n n型区中的电子电流为例，它不仅型区中的电子电流为例，它不仅提供向提供向p p型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与p p型区中注型区中注入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过pnpn结的正结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。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。q物理意义总结：物理意义总结：pn结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：例例8.4第25页，共89页，编辑于2022年，星期五在
16、流过在流过pnpn结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。情况如下页图所示。pn结扩散区内的正偏结扩散区内的正偏电流实际上是复合电电流实际上是复合电流流第26页，共89页，编辑于2022年，星期五m正偏电流图像正偏电流图像m当电流由当电流由p区欧姆接触进入区欧姆接触进入时，几乎全部为时，几乎全部为空穴空穴的的漂漂移电流移电流；空穴在外电场作；空穴在外电场作用下向电源用下向电源负极负极漂移；漂移；由于少子浓度远小于多子由于少子浓度远小于多子浓度可以认为这个电流完浓度可以认为这个电流完全由多子空穴携带。全由多子空穴携带。m空穴沿空穴
17、沿x方向进入方向进入电子扩散电子扩散区区以后，一部分与以后，一部分与n区注入区注入进来的电子不断地复合，进来的电子不断地复合，其携带的电流其携带的电流转化转化为电子为电子扩散电流；扩散电流；第27页，共89页，编辑于2022年，星期五m另一部分未被复合的空穴继沿另一部分未被复合的空穴继沿x方向方向漂漂移移，到达，到达-xp的空穴电流，通过势垒区；的空穴电流，通过势垒区；m 若忽略势垒区中的载流子产生若忽略势垒区中的载流子产生-复合，复合，则可看成它则可看成它全部全部到达了到达了xn处，然后以处，然后以扩扩散散运动继续向前，在运动继续向前，在n区中的空穴扩散区区中的空穴扩散区内形成内形成空穴扩散
18、流空穴扩散流；m 在扩散过程中，空穴还与在扩散过程中，空穴还与n区漂移过来的电子不断地复合，使区漂移过来的电子不断地复合，使空穴扩散电空穴扩散电流流不断地转化为不断地转化为电子漂移电流电子漂移电流；m直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。忽略了少直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出子漂移电流后，电子电流便构成了流出n区欧姆接触的正向电流。区欧姆接触的正向电流。空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内的空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。复合
19、实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。第28页，共89页，编辑于2022年，星期五m反偏电流图像反偏电流图像pn在反向偏置下，在反向偏置下，p区的多子区的多子空穴空穴受外电场的作用向受外电场的作用向p区的欧姆接触区的欧姆接触负电极负电极漂移，同时增漂移，同时增强的空间电荷区电场也不断地把强的空间电荷区电场也不断地把n区的少子空穴拉过来；区的少子空穴拉过来；n区的区的电子电子受外电场作用向受外电场作用向n区的区的欧姆接触欧姆接触正电极正电极漂移，同时空间电荷漂移，同时空间电荷区自建电场亦不断地把区自建电场亦不断地把p区的少子电区的少子电子拉过来；子拉过来；n区边界区边界xn处的空穴被势垒区的
20、强电处的空穴被势垒区的强电场驱向场驱向p区，而区，而p区边界区边界-xp处的电处的电子被驱向子被驱向n区，当这些少数载流子被区，当这些少数载流子被电场驱走后，电场驱走后，内部的少子就来补充内部的少子就来补充，形成反偏下的空穴扩散电流和电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，所以载流子不断地被抽向对方，所以称为少数载流子的称为少数载流子的抽取抽取。第29页，共89页，编辑于2022年，星期五q温度效应：温度效应：理想理想pnpn结二极管的反向饱和电流密度结二极管的反向饱和电流密度J JS S是热平衡条件下少子浓度是热平衡条件下
21、少子浓度n np0p0和和p pn0n0的函数：的函数：而而n np0p0和和p pn0n0都与都与n ni i2 2成正比，由此可见反向饱和电流密度成正比，由此可见反向饱和电流密度J JS S是温度的是温度的敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖关系，则有：敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖关系，则有：可见，在室温下，只要温度升高可见，在室温下，只要温度升高1010C C，反向饱和电流密度增大的倍数将，反向饱和电流密度增大的倍数将为：为：例例8.5第30页，共89页，编辑于2022年，星期五温度效应对温度效应对pnpn结二极管正、反向结二极管正、反向I IV V特性的影响如下图所示。可见，特性的
22、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。正向导通电压下降。第31页，共89页，编辑于2022年，星期五q短二极管短二极管在前面的分析中，我们假设理想在前面的分析中，我们假设理想pnpn结二极管结二极管n n型区和型区和p p型区的长度远大于型区的长度远大于少子的扩散长度。实际少子的扩散长度。实际pnpn结中有可能有一侧的长度小于扩散长度，结中有可能有一侧的长度小于扩散长度，如下图所示，如下图所示，n n型区的长度型区的长度W Wn nLLp p，此时，此时n n型区中过剩少子空穴的稳
23、态型区中过剩少子空穴的稳态输运方程为：输运方程为：第32页，共89页，编辑于2022年，星期五其在其在x=xx=xn n处的边界条件仍然为：处的边界条件仍然为：而另一个边界条件则需要做适当的修正，通常我们假设在而另一个边界条件则需要做适当的修正，通常我们假设在x=xx=xn n+W+Wn n处处为欧姆接触，即表面复合速度为为欧姆接触，即表面复合速度为无穷大无穷大，因此过剩载流子浓度为零。，因此过剩载流子浓度为零。由此得到另一个边界条件为：由此得到另一个边界条件为：对于上述关于对于上述关于n n型区中过剩少子空穴的稳态输运方程型区中过剩少子空穴的稳态输运方程来说，其解的形式仍然为：来说，其解的形
24、式仍然为：第33页，共89页，编辑于2022年，星期五再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：对于对于W Wn nL)n n0 0(x x)p p0 0(x x)=)=n ni i2 2 ，所以，存在着载流子的，所以，存在着载流子的净复合净复合；反偏时，反偏时，n n(x x)p p(x x)n n0 0(x x)p p0 0(x x)=)=n ni i2 2 ，所以，所以，有着载流子的有着载流子的净产生净产生。第50页，共89页，编辑于2022年，星期五在实际在实际PN结空间电荷区中，载流子的产生复合现象由结空间电荷区中，载流子
25、的产生复合现象由SRH复合理论给出，即：复合理论给出，即：q反偏产生电流反偏产生电流在反偏状态下，耗尽区内载流子浓度可以近似为在反偏状态下，耗尽区内载流子浓度可以近似为0，因而：，因而：R为净复合率，其中为净复合率，其中n和和p是电子和空穴的浓度；是电子和空穴的浓度；n为一个和复为一个和复合中心有关的浓度。一般假设复合中心能级位于本征费米能级合中心有关的浓度。一般假设复合中心能级位于本征费米能级处，这时，处，这时，n=p=ni第51页，共89页，编辑于2022年，星期五PN结耗尽区中存在电子空穴对的结耗尽区中存在电子空穴对的净产生净产生。净产生的存在，实际上是净产生的存在，实际上是向平衡态恢复
26、向平衡态恢复的一个驱的一个驱动作用，若去掉持续的反偏电压，则净产生率会动作用，若去掉持续的反偏电压，则净产生率会导致空间电荷区的载流子浓度恢复到平衡态时的导致空间电荷区的载流子浓度恢复到平衡态时的浓度。浓度。载流子在空间电荷区产生载流子在空间电荷区产生后，在内建电场作用下，后，在内建电场作用下，形成形成PN结结反向产生电流反向产生电流叠加在理想反向扩散电叠加在理想反向扩散电流上。流上。第52页，共89页，编辑于2022年，星期五 估计计算反向产生电流的大小：估计计算反向产生电流的大小：假设产生率在整个空间电荷区内保持不变（最假设产生率在整个空间电荷区内保持不变（最大），则：大），则：第53页，
27、共89页，编辑于2022年，星期五总的总的PNPN结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏产生结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏产生电流密度之和，即：电流密度之和，即：上式中，理想的反向饱和电流密度与上式中，理想的反向饱和电流密度与PN结反偏电压关系不大，而反偏产生电流密度则与耗结反偏电压关系不大，而反偏产生电流密度则与耗尽区的宽度尽区的宽度W有关，这是与反偏电压有关的，因此实际有关，这是与反偏电压有关的，因此实际PN结总的反偏电流密度则是与反偏结总的反偏电流密度则是与反偏电压有关的（反向电流不饱和）。电压有关的（反向电流不饱和）。P.214 例例8.7例例8.7的结果说
28、明，实际二极管中的反向电流主要是反向产生电流控制的。可以看出反向产的结果说明，实际二极管中的反向电流主要是反向产生电流控制的。可以看出反向产生电流的大小主要和载流子寿命有关系。载流子寿命越短，则反向产生电流越大。因此若半生电流的大小主要和载流子寿命有关系。载流子寿命越短，则反向产生电流越大。因此若半导体材料中存在大量的缺陷，会造成其载流子寿命缩短，反向漏电流增大。导体材料中存在大量的缺陷，会造成其载流子寿命缩短，反向漏电流增大。第54页，共89页，编辑于2022年，星期五q正偏复合电流正偏复合电流当当PN结处于正偏状态时，结处于正偏状态时，显然，多数载流子通过空显然，多数载流子通过空间电荷区注
29、入到相应的空间电荷区注入到相应的空间电荷区边界处。注入的间电荷区边界处。注入的机制是净机制是净扩散流扩散流。因而在空间电荷区内存在因而在空间电荷区内存在过剩载流子过剩载流子（大于平衡时载流子浓（大于平衡时载流子浓度），这导致空间电荷区内存在净复合率，其大小仍然度），这导致空间电荷区内存在净复合率，其大小仍然由由SRH复合理论所描述：复合理论所描述：第55页，共89页，编辑于2022年，星期五正偏状态下，载流子浓度可用正偏状态下，载流子浓度可用准费米能级来描述：准费米能级来描述：正偏状态下的能带图正偏状态下的能带图第56页，共89页，编辑于2022年，星期五由此可见在正偏由此可见在正偏PNPN结
30、空间电荷区中有：结空间电荷区中有：可见正偏可见正偏PNPN结空间电荷区存在净的载流子复合。由上图可知：结空间电荷区存在净的载流子复合。由上图可知：假设假设第57页，共89页，编辑于2022年，星期五同样假设复合中心能级位于禁带中心附近，则有：同样假设复合中心能级位于禁带中心附近，则有：假设假设第58页，共89页，编辑于2022年，星期五则则R Rmaxmax为正偏为正偏PNPN结处的电子与空穴的最大复合率。若结处的电子与空穴的最大复合率。若上式可简化为上式可简化为:第59页，共89页，编辑于2022年，星期五PNPN结空间电荷区复合率并不是常数，但可用最大复合率来近似计算，结空间电荷区复合率并
31、不是常数，但可用最大复合率来近似计算，得出最大的复合电流密度为：得出最大的复合电流密度为：上式中上式中W W为正偏为正偏PNPN结中空间电荷区的宽度。结中空间电荷区的宽度。复合电流密度为：复合电流密度为：第60页，共89页，编辑于2022年，星期五q总的总的PNPN结正偏电流：结正偏电流：少子空穴在少子空穴在N型区的分型区的分布图布图存在耗尽区的复合时，空存在耗尽区的复合时，空间电荷区边界处注入的非间电荷区边界处注入的非平衡少数载流子浓度和理平衡少数载流子浓度和理想情况下相同想情况下相同why？第61页，共89页，编辑于2022年，星期五m为了补充在空间电荷区内复合掉的载流子，就需要额为了补充
32、在空间电荷区内复合掉的载流子，就需要额外的电流，因而总电流为理想电流和复合电流的和外的电流，因而总电流为理想电流和复合电流的和第62页，共89页，编辑于2022年，星期五m对复合电流密度和扩散电流密度求对数：对复合电流密度和扩散电流密度求对数：结果说明对于这两种电流密度，随电压变化的关系是结果说明对于这两种电流密度，随电压变化的关系是不同的，在不同的，在ln（J）V曲线上，两者有不同的斜率曲线上，两者有不同的斜率第63页，共89页，编辑于2022年，星期五将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示，图中同时还包含了将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示，图中同时还包含了PNPN结中结中总的正偏电流密度
33、的变化关系总的正偏电流密度的变化关系第64页，共89页，编辑于2022年，星期五由此图中可见，在小电流区域，正偏由此图中可见，在小电流区域，正偏PNPN结中以空间电荷区结中以空间电荷区复合电流为主，而在大电流区域，则以理想复合电流为主，而在大电流区域，则以理想PNPN结的扩散电流为主。结的扩散电流为主。一般情况下正偏一般情况下正偏PNPN结的电流为：结的电流为：其中其中n n称为理想因子，一般介于称为理想因子，一般介于1 1和和2 2之间。之间。问题：理想因子是大了好，还是小了好？问题：理想因子是大了好，还是小了好？第65页，共89页，编辑于2022年，星期五8.4 结击穿结击穿在上一节的学习
34、中，我们已经知道了在实际的在上一节的学习中，我们已经知道了在实际的PN结二极管中，正偏电流在一些因素的影响下会结二极管中，正偏电流在一些因素的影响下会偏离理想特性。偏离理想特性。而反偏产生电流的存在同样使得而反偏产生电流的存在同样使得PN结偏离反结偏离反向特性。向特性。在实际的在实际的PN结中，反向电流随偏压增大而不结中，反向电流随偏压增大而不饱和，并且在一定的偏压下会发生电流饱和，并且在一定的偏压下会发生电流突然突然增大增大的现象，这称为的现象，这称为结击穿结击穿，相应的电压称为，相应的电压称为击穿电击穿电压压。第66页，共89页，编辑于2022年，星期五 电击穿电击穿过程本身是非破坏性的，
35、但必须用外围电路来限过程本身是非破坏性的，但必须用外围电路来限制最大电流，避免制最大电流，避免pn pn 结发热，结发热，热击穿热击穿是不可恢复的，是破是不可恢复的，是破坏性的。坏性的。pn pn 结电击穿有两种重要的机制：结电击穿有两种重要的机制：雪崩倍增雪崩倍增和和隧道效应隧道效应。第67页，共89页，编辑于2022年，星期五q雪崩倍增击穿原理雪崩倍增击穿原理PN结反向时，外加电场增加了空间电结反向时，外加电场增加了空间电荷区的电场强度。在电场作用下，空荷区的电场强度。在电场作用下，空穴将向电源负极移动，电子向电源正穴将向电源负极移动，电子向电源正极移动；当极移动；当P区的电子向电源正极移
36、动区的电子向电源正极移动的过程中穿越势垒时，将受到势垒电场的过程中穿越势垒时，将受到势垒电场的的加速加速。反向电压越高，势垒区中电场。反向电压越高，势垒区中电场越强；若电场足够强，电子获得了足够越强；若电场足够强，电子获得了足够的动能和原子碰撞，将晶格的共价键破的动能和原子碰撞，将晶格的共价键破坏，产生一个坏，产生一个电子电子-空穴空穴对，这一过程对，这一过程被称之为被称之为碰撞电离碰撞电离。这些新产生的电子。这些新产生的电子-空穴对再从电场中获得动能，进一步空穴对再从电场中获得动能，进一步产生电子产生电子-空穴对，这种空穴对，这种连锁过程连锁过程称之称之为为雪崩倍增雪崩倍增。EEcEv第68
37、页，共89页，编辑于2022年，星期五在电场作用下，新产生在电场作用下，新产生的电子和空穴会朝着相的电子和空穴会朝着相反的方向运动，于是形反的方向运动，于是形成了新的产生电流。新成了新的产生电流。新的产生电流叠加在原有的产生电流叠加在原有的电流上。导致反向电的电流上。导致反向电流迅速增大。流迅速增大。第69页，共89页，编辑于2022年，星期五假设反偏假设反偏PN结中由结中由P型区进型区进入耗尽区中入耗尽区中x=0处的电子处的电子电流为电流为In0，如下页图所示，如下页图所示，由于雪崩倍增效应电子电由于雪崩倍增效应电子电流流In在耗尽区中不断增加，在耗尽区中不断增加，在在x=W处电子电流增加为
38、：处电子电流增加为：雪崩倍增过程中流过雪崩倍增过程中流过PN结结空间电荷区的电子电流和空间电荷区的电子电流和空穴电流变化关系如图所空穴电流变化关系如图所示。示。倍增因子倍增因子第70页，共89页，编辑于2022年，星期五在某一点在某一点x处的增量电子电流表达式可以写为：处的增量电子电流表达式可以写为：其中，其中，与与 分别为电子和空穴的电离率。分别为电子和空穴的电离率。电离率：电离率：单位电子单位电子或或单位空穴单位空穴在在单位长度单位长度内通过碰撞内通过碰撞产生的产生的电子电子-空穴对的数量空穴对的数量注意，电子的碰撞电离过程和空穴的碰撞电离过程都同注意，电子的碰撞电离过程和空穴的碰撞电离过
39、程都同时产生了电子和空穴，因而电子电流增量和空穴的电离时产生了电子和空穴，因而电子电流增量和空穴的电离率也有关系。率也有关系。第71页，共89页，编辑于2022年，星期五总电流在空间电荷区内保持不变，即：总电流在空间电荷区内保持不变，即：假设电子和空穴的电离率相同，即：假设电子和空穴的电离率相同，即：可得到可得到:第72页，共89页，编辑于2022年，星期五在整个空间电荷区内积分可得：在整个空间电荷区内积分可得：可以注意到：可以注意到：使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩击穿电使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩击穿电压。因此产生雪崩击穿的条件为：压。因此产生雪崩击穿的条件为：怎么理解？怎么理
40、解？第73页，共89页，编辑于2022年，星期五电离率是电场的函数，因此该式不是很容易计算，电离率是电场的函数，因此该式不是很容易计算，我们在特定条件下来计算击穿场强我们在特定条件下来计算击穿场强假定有假定有P+N结，其最大场强为：结，其最大场强为：耗尽区宽度耗尽区宽度xn可以求得：可以求得：注意，忽略了内建电势差，这代表着反向偏压较大时的情况注意，忽略了内建电势差，这代表着反向偏压较大时的情况第74页，共89页，编辑于2022年，星期五我们假定此时我们假定此时PN结击穿，因而反向偏压结击穿，因而反向偏压VR为击穿电压为击穿电压VB，则相应地最大场强，则相应地最大场强Emax就是临界场强就是临
41、界场强Ecrit，通过，通过xn和和Emax的表的表达式，我们可以求出：达式，我们可以求出：其中其中NB为单边结中低掺杂一侧的掺杂浓度。为单边结中低掺杂一侧的掺杂浓度。第75页，共89页，编辑于2022年，星期五线性缓变线性缓变PNPN结与单边突变结与单边突变PNPN结击穿电压的对比结击穿电压的对比第76页，共89页，编辑于2022年，星期五q雪崩击穿特点：雪崩击穿特点：m空间电荷区要有一定宽度；如果空间电荷区太窄（小空间电荷区要有一定宽度；如果空间电荷区太窄（小于一个平均自由程），既使是载流子的能量再高，电于一个平均自由程），既使是载流子的能量再高，电离能力再强，不发生碰撞也无法产生雪崩现象
42、。离能力再强，不发生碰撞也无法产生雪崩现象。m雪崩击穿电压较高，击穿曲线比较陡直（硬击穿）；雪崩击穿电压较高，击穿曲线比较陡直（硬击穿）；一般一般Ge、Si 器件，雪崩击穿电压在器件，雪崩击穿电压在 6Eg/e 以上。以上。m雪崩击穿的击穿电压雪崩击穿的击穿电压VB 具有正温度系数。随着温度的具有正温度系数。随着温度的提高，散射增强，载流子的平均自由运动时间减少，提高，散射增强，载流子的平均自由运动时间减少，导致动能不易积累，使电离率降低，击穿电压提高。导致动能不易积累，使电离率降低，击穿电压提高。第77页，共89页，编辑于2022年，星期五q隧道击穿（齐纳击穿）隧道击穿（齐纳击穿）原理原理m
43、在反偏电压下，在反偏电压下，P区价区价带顶附近电子能量可以带顶附近电子能量可以升高到超过升高到超过N区导带顶区导带顶电子的能量，此时，若电子的能量，此时，若是电场较强，空间电荷是电场较强，空间电荷区宽度（隧道长度）较区宽度（隧道长度）较短，则电子的隧穿几率短，则电子的隧穿几率就大增加，使得就大增加，使得P区价区价带电子直接穿过禁带而带电子直接穿过禁带而达到达到N区导带底，形成区导带底，形成很大的反向电流。很大的反向电流。第78页，共89页，编辑于2022年，星期五q 隧道击穿的特点隧道击穿的特点m空间电荷区越空间电荷区越窄窄越有利于隧道效应发生，越有利于隧道效应发生，VB 越小；所越小；所以以
44、高掺杂高掺杂突变结，一般容易发生隧道击穿。突变结，一般容易发生隧道击穿。m隧道击穿的击穿特性是隧道击穿的击穿特性是缓变的缓变的（软击穿）；（软击穿）；隧道击穿不是在某个电压下骤然发生的，而是随着反向增加，隧道击穿不是在某个电压下骤然发生的，而是随着反向增加，电子的隧道穿透几率逐渐增加，反向电流也就逐渐增因而电子的隧道穿透几率逐渐增加，反向电流也就逐渐增因而I-V 特特性是缓变的，所谓性是缓变的，所谓“软击穿软击穿”。m隧道击穿的击穿电压隧道击穿的击穿电压VB 是是负温度系数负温度系数的。的。随着温度升高，半导体的带隙随着温度升高，半导体的带隙Eg 减少，隧道长度相应减小，减少，隧道长度相应减小
45、，电子的穿透电子的穿透几率几率相应增大，因而相应增大，因而VB 随温度升高而减少。随温度升高而减少。第79页，共89页，编辑于2022年，星期五8.6 电荷存储效应与二极管的瞬态特性电荷存储效应与二极管的瞬态特性 在开关电路应用中我们非常关心在开关电路应用中我们非常关心PN结二极管的开关速度。结二极管的开关速度。下面我们将对此做一个定性的讨论。下面我们将对此做一个定性的讨论。q关断瞬态过程：关断瞬态过程：假设我们要将一个假设我们要将一个PN结结二极管从导通状态转换为关二极管从导通状态转换为关断状态，如图所示断状态，如图所示当当t0时，二极管处于反时，二极管处于反向偏置状态，二极向偏置状态，二极
46、管将呈现出反向关管将呈现出反向关断特性。断特性。第80页，共89页，编辑于2022年，星期五当当t0时，时，PN结二极管中的正偏导通电流为：结二极管中的正偏导通电流为：当当PNPN结外加正偏电压结外加正偏电压V Va a时，其两侧少子时，其两侧少子分布如下图所示，分布如下图所示，PNPN结两侧均存储有过结两侧均存储有过剩少子，在耗尽区边剩少子，在耗尽区边界处的过剩少子浓度界处的过剩少子浓度是由外加的正偏电压是由外加的正偏电压V Va a所支持的。所支持的。第81页，共89页，编辑于2022年，星期五 当当PNPN结两端的外加电压由正偏改变为反偏时，耗尽区边界处的结两端的外加电压由正偏改变为反偏
47、时，耗尽区边界处的过剩少子浓度就无法继续得到支持，因此它们就会不断下降，过剩少子浓度就无法继续得到支持，因此它们就会不断下降，如下如下页图所示，形成较大的少子浓度梯度，从而引起反偏状态下的少子扩散电页图所示，形成较大的少子浓度梯度，从而引起反偏状态下的少子扩散电流。流。在开关转换的瞬态，由于在开关转换的瞬态，由于PNPN结电容的影响，结电容的影响，PNPN结上的电压结上的电压不会突变，仍然保持比较小的数值，不会突变，仍然保持比较小的数值，则反偏电流近似由下式给出：则反偏电流近似由下式给出：上述反偏电流在上述反偏电流在0tt0tts s时间内将保持恒定，时间内将保持恒定，t ts s称为二极管的
48、存储时间，称为二极管的存储时间，存储时间反映的是耗尽区边界处少子浓度达到热平衡浓度所需的时间。存储时间反映的是耗尽区边界处少子浓度达到热平衡浓度所需的时间。过了这个存储时间之后，过了这个存储时间之后，PNPN结上的电压就开始发生改变。结上的电压就开始发生改变。第82页，共89页，编辑于2022年，星期五PNPN结二极管关断过程中耗尽区边界处少子浓度的变化结二极管关断过程中耗尽区边界处少子浓度的变化情况示意图情况示意图第83页，共89页，编辑于2022年，星期五 PN PN结二极管关断过程中的电流特性如下图所示，其中的反向电流结二极管关断过程中的电流特性如下图所示，其中的反向电流就是由于存储的少
49、子电荷流动而形成的，这些存储的少子电荷就是上页图就是由于存储的少子电荷流动而形成的，这些存储的少子电荷就是上页图中中t=0t=0和和t=t=两个少子浓度分布的差值。存储时间两个少子浓度分布的差值。存储时间t ts s可以通过与时间相可以通过与时间相关的连续性方程来求得。关的连续性方程来求得。第84页，共89页，编辑于2022年，星期五ts的近似值为：的近似值为：t2时间由下式确定：时间由下式确定：总关断时间为总关断时间为ts与与t2的和的和显然，显然，IR越大，开关时间越短（一定量的电荷可以更越大，开关时间越短（一定量的电荷可以更迅速的放走）。迅速的放走）。IR由反偏时泻放电路的电阻决定由反偏
50、时泻放电路的电阻决定第85页，共89页，编辑于2022年，星期五q导通瞬态过程：导通瞬态过程：PN结二极管导通瞬态过程通常可分为以下两个阶结二极管导通瞬态过程通常可分为以下两个阶段：段：第一阶段：第一阶段：PN结空间电荷区变窄，部分离化的施结空间电荷区变窄，部分离化的施主和受主电荷被注入的载流子中性化；主和受主电荷被注入的载流子中性化；第二阶段：建立过剩的少子注入分布，达到稳定第二阶段：建立过剩的少子注入分布，达到稳定的正向注入电流。的正向注入电流。在少子寿命很小且正偏电流很小的情况下，开时间非常短在少子寿命很小且正偏电流很小的情况下，开时间非常短第86页，共89页，编辑于2022年，星期五本