模拟1-2 PN结.ppt

第二节 PN 结 定义：在一块完整的硅片（锗片）上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。 结论： PN结是各种半导体器件的基础结构。 PN结形成时，其内部载流子的运动主要是由于浓度差引起的，如下图所示： 总结： 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。 PN结的单向导电特性 由前可表述为： PN结加正向电压时，形成较大正向电流ID，电阻小，导通； PN结加反向电压时，形成反向电流IS极小，电阻大，不导通(截止)； 这一特性称为单向导电性。 1.2.3 PN结的特性 —— 伏安特性 理论证明：PN结的正向特性和反向特性可以由以下关系式即PN结两端的外电压V与流过PN结的电流I之间的关系： A 其中IS为反向饱和电流，VT= kT/q 温度电压当量，一般取值为26mv；而k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷量。 （a）当 V 0 即PN结正向偏置时, 且当V 几倍以上VT时，即（曲线正向特性段） : 此时I随V的增加而呈指数上升。 而当V 0.7V后，I的曲线很陡直，基本不随V变化而变化（因而I为恒定值），此时PN结导通，因此0.7V为导通电压V(on) 一般地：硅PN结：V(on) = 0.5V ～ 0.7V 锗PN结：V(on) = 0.1V ～ 0.3V （b）当 V0，而PN结反向偏置时（曲线如b段）且当|V|几倍以上VT时，I ≈ - IS （c）当V0，且V 超过某一定值，如 V VBR时，I 则反向剧增，如曲线 C 段，这种现象就叫击穿。 1.2.4 PN结的特性——击穿特性 当反向电流剧增时所对应的反向电压叫击穿电压VBR 。 PN结的击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。 ① 雪崩击穿→→→当反向压增大时，阻挡层（耗尽层）内部的电场增强，使阻挡层中载流子的漂移速度加快，致使动能增大，从而挣脱共价键甚至撞击其它中性原子，又产生新的电子-空穴对时，如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量剧增，使流过PN结的反向电流也就急剧增大，且增长速度极快，象雪崩一样，所以就将这种碰撞电离称为雪崩击穿。 雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中。 ② 齐纳击穿→→→当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变很薄，在这种阻挡层中，载流子与中性原子相碰撞的机会极小，因而不容易发生碰撞电离，但当加上不大的反向电压时，就能建立很强的电场，足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生电子一空穴对，这个过程称场致激发。 显然，场致激发能够产出大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象，这种击穿称为齐纳击穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，其值随掺杂浓度增加而减小。 ③ 一般地： 击穿电压VBR 6V 的属于齐纳击穿, 击穿电压VBR 6V 的属于雪崩击穿; 雪崩击穿的击穿电压随温度上升而增大, 齐纳击穿的击穿电压随温度上升而降低。 1.2.5 PN结的电容特性——温度特性： （见下页的ＶＡＲ曲线图） 当温度T↑时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致PN结的反向饱和电流IS增大。 实验结果表明：温度再升高10℃，IS约增加一倍。 V(on)随T↑而略↓当温度进一步增大到极端，本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。 因此，PN结正常工作的最高温度： Si：150 ～200℃