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1、 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院第二章第二章 PNPN结结热平衡热平衡PNPN结结加偏压的加偏压的PNPN结结理想理想PNPN结的直流电流结的直流电流-电压特性电压特性空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和产生电流隧道电流隧道电流I-VI-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系耗尽层电容耗尽层电容PNPN结二极管的频率特性结二极管的频率特性PNPN结二极管的开关特性结二极管的开关特性PNPN结击穿结击穿PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言PNPN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，结是几乎所有半
2、导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由所有结型器件都由PNPN结构成。结构成。PNPN结本身也是一种器件整流器。结本身也是一种器件整流器。PNPN结含有结含有丰富的物理知识，掌握丰富的物理知识，掌握PNPN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。基础。由由P P型半导体和型半导体和N N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做叫做PNPN结结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（结（junctionjunct
3、ion）,有时也有时也叫做叫做接触（接触（contactcontact）。1.PN1.PN结定义：结定义：PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言2.2.几种分类：几种分类：因此因此PNPN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触或金属半导体结（属半导体接触或金属半导体结（M-SM-S结结）。）。同质结：同质结：由同种物质构成的结（如硅）
4、；由同种物质构成的结（如硅）；异质结：异质结：由不同种物质构成的结（如硅和锗）由不同种物质构成的结（如硅和锗）；同型结：同型结：由同种导电类型的物质构成的结由同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-P-硅和硅和P-P-锗、锗、N-N-硅和硅和N-N-锗）；锗）；异型结：异型结：由不同种导电类型的物质构成的结由不同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-P-硅和硅和N-N-硅、硅、P-P-锗和锗和N N锗）；锗）；PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言3.3.采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PNPN结的主要工艺过程结的主要工艺过程(a)抛光处理后的型硅晶片
5、(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片n Si光刻胶SiO2N+（f)腐蚀SiO2后的晶片 PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PNPN结的主要工艺过程结的主要工艺过程(g)完成光刻后去胶的晶片(i)蒸发/溅射金属（j）PN 结制作完成(h)通过扩散（或离子注入）形成 PN结P SiN SiSiO2N+PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言4.4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 1)1)突变
6、结：突变结：P P区和区和N N区杂质过渡陡峭区杂质过渡陡峭单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院引言引言4.4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 2)2)线性缓变结：线性缓变结：在线性区：在线性区：两区之间杂质过渡是渐变的两区之间杂质过渡是渐变的PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结1.1.PNPN结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）（热平衡系统费米
7、能级恒定原理）在形成结之前在形成结之前N N型材料中费米能级靠近导带底，型材料中费米能级靠近导带底，P P型材料中费米能级靠近型材料中费米能级靠近价带顶。当价带顶。当N N型材料和型材料和P P型材料被连接在一起时，型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必费米能级在热平衡时必定恒等定恒等。p n CE FE iE VE 0yq 漂移 漂移 扩散 扩散 E ny py（a a）在接触前分开的）在接触前分开的P P型和型和N N型硅的能带图型硅的能带图 （b b）接触后的能带图）接触后的能带图PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院多子多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移
8、达到达到动态平衡动态平衡1.1.空间电荷区空间电荷区浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区形成内建电场形成内建电场促使少子漂移促使少子漂移阻止多子扩散阻止多子扩散PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院内建电场内建电场：空间电荷区中的正、负电荷间产生的电场，其方向由空间电荷区中的正、负电荷间产生的电场，其方向由n区指向区指向p区。区。平衡平衡p-n结结：载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所达到载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所达到 的动态平衡（的动态平衡（p-n结的净电流为零）。结的净电流为零）。+
9、-空间电荷空间电荷区区内建电场内建电场PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院形成形成扩散电流扩散电流并增加空间电荷区的宽度并增加空间电荷区的宽度平衡时平衡时平衡平衡p-n结结形成形成漂移电流漂移电流并减小空间电荷区的宽度并减小空间电荷区的宽度空间电荷区的空间电荷区的宽度宽度也达到也达到稳定，电流为零稳定，电流为零多子的扩散运动多子的扩散运动少子的漂移运动少子的漂移运动PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结2.2.PNPN结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）（热平衡系统划分）恒定费米
10、能级的条件恒定费米能级的条件是由电子从是由电子从N N型一型一边转移至边转移至P P型一边，空穴则沿相反方向型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移在转移实现的。电子和空穴的转移在N N型型和和P P型各边分别留下未被补偿的施主离型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的，固定子和受主离子。它们是荷电的，固定不动的，称为不动的，称为空间电荷空间电荷。空间电荷存。空间电荷存在的区域叫做在的区域叫做空间电荷区空间电荷区。（c c）与（与（b b）相对应的空间电荷分布）相对应的空间电荷分布 PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热
11、平衡平衡PNPN结结3.3.几个概念几个概念耗尽近似：耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。自由载流子密度为零。内建电势差：内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用这个电势差叫做内建电势差（用 表示）。表示）。势垒区：势垒区：N N区电子进入区
12、电子进入P P区需要克服势垒，区需要克服势垒，P P区空穴进入区空穴进入N N区区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。中性近似：中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于电离杂质浓度多子浓度等于电离杂质浓度 ，因而保持电中性，因此，因而保持电中性，因此PNPN结空结空间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。杂质浓度相等，不存在电场。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院
13、PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结4.4.空间电荷区内建电势差空间电荷区内建电势差(N(N型一边和型一边和P P型一边中性区之间的电位差）型一边中性区之间的电位差）方法一：方法一：（中性区电中性条件）由一维泊松方程：由一维泊松方程：取费米势为零基准时：取费米势为零基准时：（2-1-2-1-2b2b）由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：即：即：（2-1-42-1-4）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结方
14、法一：方法一：（中性区电中性条件）（2-1-52-1-5）对于对于N N型的中性区，假设型的中性区，假设 ，。即。即 ，连并，连并（2-1-2a2-1-2a）代入（）代入（2-1-42-1-4）中，得）中，得N N区中性区电势为：区中性区电势为：采用同样的方法，得到采用同样的方法，得到P P型中性区的电势为：型中性区的电势为：（2-1-62-1-6）因而，在因而，在N N型一边与型一边与P P型一边中性区之间的电位差为型一边中性区之间的电位差为（2-1-72-1-7）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结方法二：（方法二：（费米
15、能级恒定费米能级恒定）从费米能级恒定的观点来看，热平衡从费米能级恒定的观点来看，热平衡PNPN结具有统一的费米能级。形成结具有统一的费米能级。形成PNPN结结之前之前N N区费米能级比区费米能级比P P区费米能级高。形成区费米能级高。形成PNPN结之后，费米能级恒定要求结之后，费米能级恒定要求N N区区费米能级相对费米能级相对P P区费米能级下降，则原费米电势差区费米能级下降，则原费米电势差 即即PNPN结中结中N N型与型与P P型中性型中性区间电势差区间电势差 。未形成未形成PNPN结之前的结之前的N N区（区（P P区）的电子（空穴）浓度为：区）的电子（空穴）浓度为：可以得到分别的费米能
16、级为：可以得到分别的费米能级为：再由热电势再由热电势，得：，得：PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院方法三：（方法三：（在平衡状态下，净的空穴电流密度为零在平衡状态下，净的空穴电流密度为零）并可进一步求出内建电势为并可进一步求出内建电势为从上式可解出内建电场，从上式可解出内建电场，由于由于 ，故得：，故得：PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结5.5.利用利用PoissonPoisson方程求解单边突变结方程求解单边突变结 (P(P+N)N)SCR SCR内建电场、内建内建电场、内建电势、内建电势
17、差和耗尽层宽度电势、内建电势差和耗尽层宽度N N侧侧PoissonPoisson方程方程：P P侧侧PoissonPoisson方程方程：空间电荷的电中性：空间电荷的电中性：空间电荷层宽度：空间电荷层宽度：对于单边突变结：对于单边突变结：单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热平衡热平衡PNPN结结对对N N侧侧PoissonPoisson方程方程边界条件：边界条件：应用应用做一次积分：做一次积分：得：得：边界条件：边界条件：再次积分：再次积分：PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2
18、.12.1热热平衡平衡PNPN结结很小，由电势连续性，很小，由电势连续性，内建电势差：内建电势差：扩散电势或自建电势扩散电势或自建电势热平衡下的势垒高度热平衡下的势垒高度耗尽层宽度：耗尽层宽度：思考：思考：利用利用PoissonPoisson方程求解突变结方程求解突变结SCRSCR（非单边）（非单边）内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.12.1热热平衡平衡PNPN结结6.6.学习要求学习要求1)1)掌握下列名词、术语和基本概念：掌握下列名词、术语和基本概念：PNPN结、突变结
19、、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。区、内建电场、内建电势差、势垒。2)2)分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PNPN结空间电荷区（结空间电荷区（SCR)SCR)Space Charge Region)的形成的形成3)3)正确正确画出画出热平衡热平衡PN PN 结的能带图（图结的能带图（图2-3a2-3a、b b）。）。4)4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：5)5
20、)解解PoissonPoisson方程求解单边突变结方程求解单边突变结SCRSCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。尽层宽度。（2-1-72-1-7）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结1.1.加偏压的加偏压的PNPN结的能带图结的能带图1)1)热平衡时热平衡时2)2)加正向偏压时加正向偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为耗尽层宽度为耗尽层宽度为PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结加正向偏压时加正向偏压时远离远离P
21、NPN结空间电荷区的中性区的准费米能级结空间电荷区的中性区的准费米能级 和和 。偏压。偏压 使热平使热平衡费米能级分裂，衡费米能级分裂，N N区准费米能级区准费米能级 相对相对P P区准费米能级区准费米能级 上移上移 。相应地，相应地，N N区各个能级上移区各个能级上移 。势垒高度降至。势垒高度降至 。在空间电荷区由于在空间电荷区由于 ，可以认为费米能级，可以认为费米能级 和和 通过空间电荷通过空间电荷区时分别不变。区时分别不变。在空间电荷区在空间电荷区N N侧，空穴准费米能级从侧，空穴准费米能级从 逐渐升高逐渐升高,最后与准电子费米能最后与准电子费米能级级 相等。这个空穴准费米能级变化的区域
22、，称为相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为空穴扩散区空穴扩散区。类似地，。类似地，在空间电荷区在空间电荷区P P侧侧 逐渐下降逐渐下降,最后与空穴准费米能级最后与空穴准费米能级 相等。这个电子相等。这个电子准费米能级变化的区域，称为准费米能级变化的区域，称为电子扩散区电子扩散区。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结3)3)加反偏压时加反偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为N N区接正电位，在远离区接正电位，在远离PNPN结空间电荷区的中性区，结空间电荷区的中性区，及诸能级相对及诸能级相对P P区区 下移下移 。在空间电荷区由
23、于载流子耗尽，通过空间电荷区时在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 和和 不变。不变。势垒高度增加至势垒高度增加至 ，增高的势垒阻挡载流子通过，增高的势垒阻挡载流子通过PNPN结扩散，通结扩散，通过过PNPN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：（2-2-12-2-1）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结4)4)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性 正偏压使空间电荷区内建电势差由正偏压使空间电荷区内
24、建电势差由 下降到下降到 打破了打破了PNPN结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由 上升上升到到 同样打破了同样打破了PNPN结的热平衡，使载流子的漂移运动占优结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势势,这种漂移是这种漂移是N N区少子空穴向区少子空穴向P P区和区和P P区少子电子向区少子电子向N N区的漂移，区的漂移，因此电流是反向的且很小。因此电流是反向的且很小。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.
25、22.2加偏压的加偏压的PNPN结结在正偏压下，外加电压降低了在正偏压下，外加电压降低了PNPN结的势垒，加强了电子从结的势垒，加强了电子从N N侧侧到到P P侧的扩散以及空穴从侧的扩散以及空穴从P P侧到侧到N N侧的扩散。侧的扩散。2.2.少数载流子的注入与输运少数载流子的注入与输运1)1)结边缘的少数载流子浓度结边缘的少数载流子浓度N N侧和侧和P P侧平衡电子浓度侧平衡电子浓度N N侧和侧和P P侧平衡空穴浓度侧平衡空穴浓度自建电势自建电势：（2-2-2-92-9）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结加上偏压加上偏
26、压 ，结电势变为结电势变为 NN侧和侧和P P侧空间电荷层边缘的电子浓度侧空间电荷层边缘的电子浓度考虑低水平注入，考虑低水平注入，得：得：类推得：类推得：（2-2-11,122-2-11,12）空间电荷层边缘的空间电荷层边缘的少数载流子浓度少数载流子浓度正向少子注入：正向少子注入：当当PNPN结加上正向偏压时，在结边缘结加上正向偏压时，在结边缘反向少子抽取：反向少子抽取：当当PNPN结加上反向偏压时，在结边缘结加上反向偏压时，在结边缘1)1)结边缘的少数载流子浓度结边缘的少数载流子浓度PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结2
27、)2)空间电荷效应和扩散近似空间电荷效应和扩散近似在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注入载流子通过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为入载流子通过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为扩散扩散近似近似。在扩散近似下，稳态载流子输运满足扩散方程。在扩散近似下，稳态载流子输运满足扩散方程。注入注入PNPN结的结的N N侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院(2-2-3)(2-2-3)空穴电流空穴电流(2-2-4)(2-2-4)(2-2-5)
28、(2-2-5)电子电流电子电流(2-2-6)(2-2-6)PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性1.1.理想的理想的P-NP-N结的基本假设及其意义结的基本假设及其意义1)1)外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。2)2)均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。3)3)空间电荷区内不存在复合电流和产生电流
29、。空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。4)4)小注入，即小注入，即5)5)半导体非简并半导体非简并PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院 一一 正向电流电压特性正向电流电压特性在在N型型区区的的右右侧侧，由由于于注注入入的的非非平平衡衡少少子子（空空穴穴）基基本本复复合合消消失失，少少子子的的扩扩散散电电流流为为零零，流流过过的的电电流流主主要要是是多多子子电电子子的的漂漂移移电电流流少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计少子空穴的浓度很低，其漂移电流可忽略不计在在P型型区区的的左左侧侧，流流
30、过过的的电电流流主主要要是是多多子子空空穴穴的的漂漂移移电电流流，少少子子（电电子子）的的浓浓度度很很低低，其其漂漂移移电电流可忽略不计。流可忽略不计。中性区中性区漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流复合复合N区区P区区PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院N区区：电电子子在在外外加加电电压压的的作作用用下下向向边边界界Xn 漂漂移移，越越过过空空间间电电荷荷区区，经经过过边边界界XP注注入入P区区，然然后后向向前前扩扩散散形形成成电电子子扩扩散散电电流流，但但在在电电子子扩扩散散区区域域内内，电电子子边边扩扩散散边边复复合合，不不断断与与从从左左边边漂漂移移过过来来
31、的的空空穴穴复复合合而而转转化化为为空空穴穴的的漂漂移移电电流流，直直到到XP 处处注注入入的的电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。电子全部复合，电子扩散电流全部转变为空穴的漂移电流。扩散区扩散区PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院P区区：空空穴穴在在外外加加电电压压的的作作用用下下向向边边界界XP 漂漂移移，越越过过空空间间电电荷荷区区，经经过过边边界界XN注注入入N区区，然然后后向向前前扩扩散散形形成成空空穴穴扩扩散散电电流流，在在空空穴穴扩扩散散区区域域内内，空空穴穴扩扩散散电电流流都都通通过过复复合合而而转转化化为为电电子子的的漂移电流。
32、漂移电流。扩散区：少子扩散电流和多子漂移电流相互转换扩散区扩散区PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院电电子子电电流流和和空空穴穴电电流流的的大大小小在在PN结结附附近近扩扩散散区区域域内内的的各各处处是是不不相相等等的的，但但两两者者之之和和始始终终相相等等。说说明明电电流流转转换换并并非非电电流流的的中中断断，而而仅仅仅仅是是电电流流的的具具体体形形式式和和载载流流子子类类型型的的改改变变，因因此此，PN结结内内的的电电流是连续的。流是连续的。则通过PN结任意截面的电流都一样：漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流复合复合PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工
33、程学院通信与电子工程学院PNPN结结的的IVIV特性特性要进一步研究要进一步研究PN结的电流输运情况，需要解决结的电流输运情况，需要解决以下问题：以下问题：1.计算空间电荷区边界处的少子浓度计算空间电荷区边界处的少子浓度2.计算中性区少子浓度的空间分布计算中性区少子浓度的空间分布3.计算空间电荷区边界处的少子扩散电流计算空间电荷区边界处的少子扩散电流4.空间电荷区的少子电子和少子空穴扩散电流空间电荷区的少子电子和少子空穴扩散电流的和可以得出空间电荷区电流的和可以得出空间电荷区电流PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院直流情况下直流情况下 ，又因，又因 ，故可得，故
34、可得N 区中的空穴扩散方程为区中的空穴扩散方程为式中，式中，称为空穴的，称为空穴的 扩散长度扩散长度扩散长度扩散长度，典型值为，典型值为 10 m。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性2.2.载流子分布载流子分布满足边界条件满足边界条件解得解得解稳态扩散方程解稳态扩散方程PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院 P 区内的非平衡少子电子区内的非平衡少子电子 当当 N 区足够长区足够长(Lp )时，时，利用利用 pn(x)的边界条件可解出的边界条件可解出系数系数 A、B
35、，于是可得于是可得 N 区内的非平衡少子空穴的分布为区内的非平衡少子空穴的分布为PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性2.2.载流子分布载流子分布对于长二极管对于长二极管 ，上式简化为，上式简化为PNPN结结P P侧的电子分布为侧的电子分布为少数载流子分布少数载流子分布PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3.电流分布电流分布对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为对于长二极管，空穴注入所引起的扩
36、散电流为在空间电荷层边缘在空间电荷层边缘（2-3-82-3-8），空穴电流为，空穴电流为空穴电流分布改写为空穴电流分布改写为（2-2-3-93-9）PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3.电流分布电流分布（2-2-3-153-15）类似，电子电流分布为类似，电子电流分布为空穴电流分布为空穴电流分布为PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院电电子子电电流流和和空空穴穴电电流流的的大大小小在在PN结结附附近近扩扩散散区区域域内内的的各各处处是是不不相相等等的的，但但两
37、两者者之之和和始始终终相相等等。说说明明电电流流转转换换并并非非电电流流的的中中断断，而而仅仅仅仅是是电电流流的的具具体体形形式式和和载载流流子子类类型型的的改改变变，因因此此，PN结结内内的的电电流是连续的。流是连续的。则通过PN结任意截面的电流都一样：漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流复合复合PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院PNPN结结的的IVIV特性特性要进一步研究要进一步研究PN结的电流输运情况，需要解决结的电流输运情况，需要解决以下问题：以下问题：1.计算空间电荷区边界处的少子浓度计算空间电荷区边界处的少子浓度2.计算中性区少子浓度的空间分布计算中性
38、区少子浓度的空间分布3.计算空间电荷区边界处的少子扩散电流计算空间电荷区边界处的少子扩散电流4.空间电荷区的少子电子和少子空穴扩散电流空间电荷区的少子电子和少子空穴扩散电流的和可以得出空间电荷区电流的和可以得出空间电荷区电流PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3.电流分布电流分布公式（公式（2-3-92-3-9）和（）和（2-3-152-3-15）指出，由于少子电流沿远离）指出，由于少子电流沿远离PNPN结的方向而结的方向而e e指指数地减小。因为总电流相对于数地减小。因为总电流相对于x来说
39、必定不变，才能满足电流连续性。所来说必定不变，才能满足电流连续性。所以多子电流必须随着以多子电流必须随着x增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，少子电流通过电子少子电流通过电子空穴对的复合不断地转换为多子电流。空穴对的复合不断地转换为多子电流。电子电流和空穴电流：电子电流和空穴电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：二极管饱和电流二极管饱和电流PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性4.4.P
40、NPN结饱和电流的几种表达方式结饱和电流的几种表达方式(一般是反向饱和电流一般是反向饱和电流)理想理想PNPN结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。（2-3-212-3-21）（2-2-3-203-20）二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成（2-2-3-183-18）（2-2-3-193-19）对于对于P P+N(NN(N+P)P)单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。与
41、半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院在在XNXN区区域域和和XPXP区区域域的的少少子子浓浓度度低低于于平平衡衡少少子子浓浓度度，因因而产生大于复合。而产生大于复合。扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流二二 反向电流电压特性反向电流电压特性PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流在在XNXN区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边区域净产生的空穴往结区扩散，到达空间电荷区边界界XN处，被电场扫过空间电荷区进入处，被电场扫过空间电荷区进入P区，产生的
42、电子以漂区，产生的电子以漂移的形式流出移的形式流出XpXp区。区。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流在在XPXP区区域域中中净净产产生生的的电电子子往往XP方方向向扩扩散散，一一到到达达空空间间电电荷荷区区边边界界XP即即被被电电场场扫扫过过空空间间电电荷荷区区进进入入N区区，产产生生的的空空穴穴则则以以漂移形式流出漂移形式流出XNXN。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院这这样样形形成成了了由由N区区流流向向P区区的的PN结结反反向向电电流流。在在右右侧侧是是电电子子漂漂移电流，在左侧全部变为空
43、穴电流。移电流，在左侧全部变为空穴电流。扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流+PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性5.5.反向偏置反向偏置PNPN结的少子分布和电流分布结的少子分布和电流分布（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流反向偏压反向偏压反向饱和电流反向饱和电流分别是分别是PNPN结空穴扩散区和电子扩散区结空穴扩散区和电子扩散区所发生的空穴产生电流和电子产生电流所发生的空穴产生电流和电子产生电流PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.3
44、2.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性6.6.PNPN结的典型电流结的典型电流 电压特性电压特性 PN结正向电流随外加电压结正向电流随外加电压e指数增加，反向电流则很小，这就是指数增加，反向电流则很小，这就是PN结的单向导电性。结的单向导电性。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.42.4空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和产生电流1.1.复合电流（在正偏压的时候出现）复合电流（在正偏压的时候出现）正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 ，这些过量载流子穿越空间电
45、荷层，使得超过平衡值，因此，这些过量载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会有复合。在空间电荷层中会有复合。复合电流复合电流：考虑最大复合条件考虑最大复合条件外加电压外加电压 V 时，时，在势垒区中，平衡时，在势垒区中，平衡时，可见：可见：当当 V=0 时，时，np=ni2，U =0，不发生净复合；不发生净复合；当当 V 0 时，时，np ni2，U 0，发生净复合；发生净复合；当当 V 0 时，时，np ni2，U VV VT T 时，把扩散电流记为时，把扩散电流记为3.3.复合电流与扩散电流的比较（复合电流与扩散电流的比较（对于对于P+NP+N结）结）上式表明，若上式表
46、明，若 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅PNPN结比锗结比锗PNPN结势垒结势垒区复合电流大；区复合电流大；PNPN结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院PN结结反反偏偏时时，由由于于空空间间电电荷荷区区对对载载流流子子的的抽抽取取作作用用，空空间间电电荷荷区区的的载载流流子子浓浓度度低低于于平平衡衡值值（pn ni2），所所以
47、以产产生生率率大大于于复复合合率率，净净产产生生率率不不为为零零，空空间间电电荷荷区区内内存存在在产产生生电电流流。体体内内扩扩散散电电流流来来自自PN结结两两侧侧P区区和和N区区内内产产生生的的电电子子和和空空穴穴，而而空空间间电电荷荷区区中中的的产产生生电电流流，是是指指空空间间电电荷荷区区中中复复合合中中心心产产生生出出来来的的电子空穴对形成的电流。电子空穴对形成的电流。二 反向PN结空间电荷区产生电流PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院CBAD:反向电子扩散电流，在反向电子扩散电流，在P区通过复合中心产生的电子区通过复合中心产生的电子A和空穴和空穴B，电
48、子由电子由A扩散到扩散到PN结空间电荷区，并被电场扫到结空间电荷区，并被电场扫到N区区流向右方，而空穴流向左方。流向右方，而空穴流向左方。CBAD空穴空穴EFGH：PN结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场结空间电荷区中复合中心产生的电子空穴对被电场分别扫进分别扫进N区和区和P区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个区，这个产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流。附加的反向电流。反向电流产生的物理过程PNPN结结 通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到空间电荷区复合中心的产生电流不像反向扩散电流那样会达到饱和值
49、，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，饱和值，而是随着反向偏压的增大而增大。这是因为，PNPN结空结空间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合间电荷区随着反向偏压的增大而展宽，处于空间电荷区的复合中心数目增多，所以产生电流中心数目增多，所以产生电流增大增大。U kT/q V1 为迭加在直流偏压上的交流小信号电压振幅，为迭加在直流偏压上的交流小信号电压振幅，V1 kT/q上式中，由于上式中，由于 ，可利用近似公式，可利用近似公式 得：得：以以 N 区中的空穴扩散电流为例，取区中的空穴扩散电流为例，取 N 区与势垒区的边界为区与势垒区的边界为坐标原点，由结定律可得边界坐标原点，由
50、结定律可得边界(x=0)处的少子浓度为处的少子浓度为即即 x=0 处的少子浓度由直流分量和交流小信号分量组成，处的少子浓度由直流分量和交流小信号分量组成，并可得到并可得到 x=0 处少子浓度直流分量和交流小信号分量的边界条处少子浓度直流分量和交流小信号分量的边界条件分别为件分别为 在在 不太高的情况下，可以假设在不太高的情况下，可以假设在 N 区内任意位置区内任意位置 x 处，处，pn(x,t)也由直流分量和交流小信号分量组成，即也由直流分量和交流小信号分量组成，即 将此将此 pn(x,t)代入空穴扩散方程代入空穴扩散方程并将并将方程分拆成方程分拆成 不含不含 和和 含含 的两个方程，即的两个