半导体物理_第八章课题.ppt

第八章 PN结与肖特基结二极管本章学习要点：1.推导并掌握理想PN结二极管的电流－电压特  性特性方程；2.掌握理想肖特基二极管的电流－电压特性方程3.建立并掌握PN结二极管的小信号等效电路模型4.学会分析PN结二极管空间电荷区中的产生与 复合电流；5.掌握PN结二极管的击穿特性；6.了解PN结二极管的开关特性。 §8.2 PN结－－理想电流电压特性 推导理想PN结电流－电压特性方程的四个基本假设条件：（1）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；（2）载流子分布满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似（3）满足小注入的条件；（4）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－电压特性时所用到的各种符号 当外加正向偏压Va时，此电压主要降落在势垒区上，PN结内建电场减弱。此时扩散电流与漂移电流之间的平衡被打破，扩散电流为主，形成少数载流子注入。 1. 边界条件：下图为热平衡状态下PN结的导带示意图，由PN结内建势垒公式可得： 下图为PN结正偏时的能带图，PN结中的势垒由Vbi变为（Vbi －Va），和零偏时类似可得： 在正偏条件下，PN结内部势垒降低，出现少数载流子电子的注入，P型区中的少数载流子电子的浓度高于热平衡时的浓度。注入到P型区中的电子还会进一步扩散和复合，因此上式给出的实际上是P型区中耗尽区边界处-xp的电子浓度。 类似地，在正偏条件下，N型区中少子空穴的浓度为： 注入到N型区中的空穴也会进一步扩散和复合，因此上式给出的实际上也是N型区中位于耗尽区边界处xn的空穴浓度。 另外，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完全适用的。而且当反偏电压足够高时，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。 2. 少数载流子分布： 对于N型区中的过剩少数载流子空穴来说，其双极输运方程为： 在上述两个方程中，第一项代表扩散过程，第二项代表复合过程，因此在PN结两侧的N型区和P型区中，过剩载流子既有扩散，也有复合。因此上述两个双极输运方程的解为： 在正偏状态下，PN结两侧总的少数载流子浓度的边界条件为： 假设PN结两侧中性区宽度足够宽，即WnLp，WpLn，此即所谓的长二极管，在离开空间电荷区足够远处，过剩少子浓度将趋于零. 3.理想PN结电流 按照理想PN结的第四个假设条件，正偏条件下流过PN结的总电流可以表示为电子电流和空穴电流两部分之和。 类似地，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结二极管的电流－电压方程，尽管上式是根据PN结正偏特性导出的，但是它同样也适用于PN结的反偏状态，反向饱和电流密度即为JS 。 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。 4. 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。 5. 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： 可见，在室温下，只要温度升高10oC，反向饱和电流密度增大的倍数将为： 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。 6. 短二极管效应： 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WnLp。 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 7. 本节内容小结 对于三种可能的N型区长度，下表总结了三种情况下的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的P型区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。 §9.3 肖特基势垒结：理想的I－V特性在第九章中我们同样也已经介绍过了肖特基结的基本概念，这里我们再进一步讨论其I－V特性。 假设仍然满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似条件，则有： 代入积分得： 正偏条件下金属－半导体之间形成肖特基结的能带图及其电路符号 流过肖特基结的总电流可表示为电子