PN结平衡状态.PPT

* 固 体 电 子 器 件 第一章 半导体物理基础(知识回顾） 第二章 PN结理论 第三章 双极晶体管 第四章 场效应晶体管 第五章 电力电子器件 第六章 光电子器件 p-n结是同一块半导体中p型区与n型区交界面及其两侧很薄的过渡区。它既可以单独构成半导体器件，也是构成各种半导体器件的基本单元。 P 区 NA N 区 ND 什么是PN结？ 第二章 PN 结 本章所讨论的PN结为理想的平行平面结，即界面为平面，平行于与其相对的两个端面，如图所示。如果结面积足够大，且掺杂浓度只在垂直于结的方向（x方向）变化，就可采用一维的半导体方程。 什么是理想平行平面结？ 2.1 PN结的平衡状态 2.2 准费米能级 2.3 PN结V-I特性 2.4 大注入效应 2.5 PN结的击穿 2.6 PN结的电容 2.7 PN结的开关特性 2.8 PN结二极管 第二章 PN 结 内容 2.1 PN结的平衡状态 2.1.1 PN结空间电荷区的形成 2.1.2 内建电场、内建电势和耗尽层宽度 2.1.3平衡pn结能带图与载流子分布 2.1.4 耗尽近似的适用性 平衡状态 --- PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。 内容 2.1.1 PN结空间电荷区的形成 内建电场 空间电荷区 P 区 N 区 NA- ND+ NA- pp0 ND+ nn0 平衡状态下的PN结在结的两侧的很窄的区域存在由施主离子和受主离子产生的空间电荷区，空间电荷区产生的电场称为自建电场。 空间电荷区的形成 利用 no po = ni2 的关系，可得： P区： N区： 平衡少子 P区： N区： 平衡多子 P 区 N 区 NA-，pp0 ND+，nn0 浓度差 扩散 电场 扩散+漂移 一定宽度的稳定空间电荷区 动态平衡 突变结 --- P区与N区的杂质浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金结面处（x = 0）发生突变。当一侧的浓度远大于另一侧时，称为 单边突变结，分别记为 PN+ 单边突变结和 P+N 单边突变结。 线性缓变结 --- 冶金结面两侧的杂质浓度均随距离作线性变化，杂质浓度梯 a 为常数。 2.1.2内建电场、内建电势和耗尽层宽度 1) 简化近似： 简化近似一： 耗尽近似 --- 认为空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为 “耗尽区”。 中性近似 --- 认为在耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为 “中性区”。 简化近似二： 内建电场 空间电荷区 P 区 N 区 NA- ND+ NA- pp0 ND+ nn0 在N区的耗尽区中，根据耗尽近似，写出泊松方程成为： P N 上式也可写成： （ 因 ） 利用边界条件： 可得： 2) 突变结内建电场、内建电势和耗尽层宽度的分析： P N 同理可在P 区耗尽区中求解泊松方程得： 在 x = 0 处，ε ( x ) 达到最大值： 由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度： 总的耗尽区宽度： 对内建电场作积分可得 内建电势（也称为扩散电势 ） ： 以上建立了3 个方程，但有 4 个未知量，即 、 、 和 。下面用另一种方法来求 解 。 P N 对 积分即可求出内建电势为： 从上式可解出内建电场： 已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的电流密度方程可得： 利用爱因斯坦关系式 由于 ， ，故得： 由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的约为 0.35V 。最后可得： *