12PN结.doc

1.2 PN结 在同一块半导体基片的两边分别形成P型和N型半导体，则交界面就形成PN结。PN结是绝大部分半导体器件的基础。 当时，称对称结； 当时，称非对称结。 如，则用表示；如，则用表示 1.2.1动态平衡下的PN结 1、PN结的形成 P区的空穴（多子）浓度N区的空穴（少子）浓度，∴P区的空穴向N区扩散，与N区的自由电子（多子）复合。同样N区的自由电子也向P区扩散，与P区的空穴复合。这样在P区留下杂质负离子，在N区留下杂质正离子，就在交界面两侧形成了由数目相等符号相反的杂质离子构成的空间电荷区----PN结。 空间电荷区产生的电场叫内电场E，方向N→P. 内电场的作用：阻挡多子的扩散，推动少子的漂移。 开始时，空间电荷区很薄，E很小，扩散电流漂移电流,使空间电荷区变厚，E变大，使，，最终使，扩散和漂移达到动态平衡，总电流( 通过PN结的净电流)为零。 2、内建电位差------内电场产生的电位差 式中 为热电压，室温（T=300K）时，. Si： , Ge： 3、空间电荷区的其它名称 阻挡层（阻挡多子扩散） 耗尽层 势垒区 4、空间电荷区宽度 设PN结的截面积为S ,P区一侧的空间电荷区宽度为Xp, N区一侧的空间电荷区宽度为Xn，因为两边电荷量的绝对值相等，所以 ∴ 。 宽度与掺杂浓度成反比，或者讲空间电荷区主要向低掺杂一侧扩展。 还可以证明空间电荷区总宽度 掺杂越浓，空间电荷区总宽度越小。 1.2.2 PN结伏安特性------流过PN结的电流与加在其两端电压之间的关系 加电压后，PN结内部的物理过程（内特性） 加正向电压（或加正偏压，或正偏） 电源的正极接Ｐ区, 负极接Ｎ区。 （a）此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相反,空间电荷区两端电压从VB→VB－V，变小，这样就打破了原有的动态平衡状态, 扩散漂移，有电流从P→N，即多子的扩散电流（包括电子扩散电流和空穴扩散电流）形成正向电流。 （b）使空间电荷区变窄 加正向电压使P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向空间电荷区运动。 当P区的空穴和N区的电子进入空间电荷区后, 就要分别中和一部分负离子和正离子, 使空间电荷量减少, 空间电荷区宽度变窄 （c）中性区少子分布曲线 从N→P的自由电子扩散电流点的少子分布梯度 从P→N的空穴扩散电流点的少子分布梯度 当是时，， ∴正向电流主要是空穴扩散电流 当是时，， ∴正向电流主要是电子扩散电流 加反向电压（或加反偏压，或反偏） 此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相同, 空间电荷区两端电压从VB→VB+V，变大，这样也打破了原有的动态平衡状态,漂移扩散，少子的漂移电流（包括电子漂移电流和空穴漂移电流）形成反向电流，从N→P。 使空间电荷区变厚 中性区少子分布曲线 由N到P的空穴漂移电流大小决定于在B点的梯度，由P到N的电子漂移电流大小决定于在A点的梯度 反向电流的特点 少子浓度很低，∴很小，μA数量级 加大反向电压时，基本不变∴叫反向饱和电流 掺杂越浓，越小，∴越小 温度T↑时， PN结伏安特性（外特性） 不管内部物理过程，只管外加电压和电流之间的关系 注意：图上标的都是规定的电流的正方向和电压的极性 由PN结理论可以证明，正反向特性可以统一表示为： ， 其中：为反向饱和电流；，为热电压 正向（正偏） 或时， ，或 特点： 有导通电压，当时， 当时，V的变化引起I的急剧变化，V每增大60mV ，I增大10倍。或PN结正向导通时不管流过的电流多大，其两端电压基本不变，约为。 Si：； Ge： 反向（反偏） V 0 当时， 很小，几乎为零。 所以PN结的伏安特性最主要特点就是单向导电性 正偏时，PN结导通，不管流过的电流多大，其两端电压基本不变，约为； 反偏时，电流几乎为零（），PN结截止。 温度特性 正向，由 得： 当温度 曲线上移，也就是左移 如要保持I不变，T升高1o，正向电压应降低2.5mV 。 反向，，，曲线下移。T升高10 o，增大1倍 1.2.3 PN结击穿特性 什么是击穿：PN结反偏，当外加反向电压不是太大时，反向电流,很小；但当外加反向电压的绝对值达到时，反向电流,这种现象叫击穿，叫击穿电压。出现击穿的主要原因是耗尽层中载流子浓度。 一、雪崩击穿 反向电压↑ → 场强↑ → 载流子动能↑→ 撞击硅原子，并打出价电子 → 产生新的自由电子空穴对 → 加速载流子 → 撞击 → 雪崩过程 →载流子浓度。 是碰撞电离击穿。 产生条件：耗尽层较厚（低掺杂），载流子从一端运动到另一端的路程较长，碰到晶格的几率较大。 二、齐纳击穿 反向电压↑ → 场强↑ →晶格中的价电子直接电离 →