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理想PN结的电流电压方程 * 理想p-n结的模型: 小注入条件: 少数载流子浓度比多数载流子浓度低很多; 突变耗尽层条件: 外加电压和接触电势差都落在耗尽层上，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动； 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及复合作用； 玻耳兹曼边界条件：在边界两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。 推导电流电压方程方法： 首先根据准费米能级计算出势垒区边界处的非平衡载流子浓度， 然后根据扩散理论计算出：J=Jn+Jp 热平衡状态下的pn结 * 偏压条件下的pn结 * * 过剩载流子分布 * n区耗尽区边界： 在p区耗尽区边界： 过剩载流子分布 * pn0 n p0 -x p x n pn (x) np (x) 正向偏压时: 过剩载流子分布 * pn0 n p0 -x p x n pn (x) np (x) 反向偏压时: 过剩载流子分布 * p区电子扩散区少数载流子浓度分布为： n区空穴扩散区少数载流子浓度分布为： pn0 n p0 -x p x n pn (x) np (x) pn0 n p0 -x p x n pn (x) np (x) 过剩载流子的扩散电流 * 过剩载流子的扩散电流 * 过剩载流子的扩散电流 * 过剩载流子的扩散电流 * 所以： PN结电流电压特性 * 正向偏压： 反向偏压： PN结电流电压特性 * Js随温度升高迅速增大： 非理想因素影响 * PN结击穿 * 在外加反向偏压增大到某一数值时Vbr,反向电流突然迅速增大,称为p-n的击穿现象。 雪崩击穿； 遂道击穿； 电热击穿； PN结击穿-雪崩击穿 * 雪崩倍增： PN结加大的反向偏压： + - 载流子与势垒区晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生电子-空穴对 载流子倍增 载流子从电场获得能量 PN结击穿-隧道击穿 * 隧道效应： P区价带顶高于 N区导带底 ? 当势垒区宽度较小 ?P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 ?形成电子空穴对 反向偏压升高: ?形成电流 两种击穿机理比较 * 隧道击穿主要取决于空间电荷区中最大电场强度； 雪崩击穿除一定的电场外,还需要一定宽度的势垒区。 掺杂浓度大时，易发生隧道击穿; 一般掺杂浓度下, 雪崩击穿是主要的。 隧道击穿电压随温度的升高而减小； 雪崩击穿电压随温度的升高而增加。 空间电荷区中光注入的电子(或空穴)影响雪崩击穿； 但对隧道击穿无明显作用。 击穿电压VB4Eg/q时是隧道击穿；VB6Eg/q时是雪崩击穿；VB介于两者之间时是两种机构共同起作用。 * * * PN结 《半导体器件物理》 * PN结基础 由P型半导体和N型半导体实现原子级接触所形成的结构叫做PN结。 PN结是几乎所有半导体器件的基本单元,包括MOSFET, BJT, LED, 太阳能电池, 二极管等。 PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。 由同种物质构成的结叫做同质结(如硅)，由不同种物质构成的结叫做异质结(如硅和锗)。 * PN结电流电压特性 * PN结制备 * P/N型半导体 * Ei Ei PN结的行成 * 扩散运动 空间电荷区 削弱内电场 漂移运动 内电场 － － － － － － － － － － － － － － － － P 内电场 耗尽区 动态平衡 扩散运动 漂移运动 N PN结中费米能级 p n p n * 在热平衡状态下, pn结中费米能级为一常数. 内建电势差 * pn结内建电势差: 平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差Vbi； qVbi: pn结的势垒高度; 内建电势差 * 内建电势 * 根据玻尔兹曼分布： 内建电势 * 根据玻尔兹曼分布： 内建电势 * 内建电势 * Vbi与pn结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽度有关： 温度一定时,参杂浓度越大,内建电势差Vbi越大; 禁带宽度Eg越大,内建电势差Vbi越大; 内建电势 * 计算一硅pn结在300 K时的内建电势, 其中 NA = 1018 cm-3, ND=1015cm-3。 由查图可知: 由公式计算: 泊松方程 * 内建电场 * P N 0 0 内建电场 P N 0 * 0 内建电场 * 0 0 内建电场 * 0 耗尽区宽度 * P N 0 总耗尽区宽度: 耗尽区宽度 * 耗尽区宽度 * PN结-单边突变结 * 当pn结一侧的掺杂浓度远高于另一侧时, 称为单边突变结: p+-n结: PN结-单边突变结 * E -Em 例题 * 一硅突变结, 其NA=1019cm-3, ND=1016cm-3, 计算在零偏压时的耗尽区宽