002 PN结.ppt

第二章 PN结 * 关于PN结的典型应用 1 半导体太阳能电池 2 发光二极管和半导体激光器 3 雪崩二极管 4 齐纳二极管 5 变容二极管 6 肖特基二极管 工作原理：利用光生伏特效应； 1954年，第一个实用的半导体pn结太阳能电池问世； 半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重量轻、性能可靠、维护方便，但是目前成本较高，主要用在一些特殊场合； 光电池（也称光电二极管）； 这里以硅pn结电池为例，介绍一下其基本工作原理 1 半导体太阳能电池 P-N结的光生伏特效应产生机理： 1）光垂直入射P-N结界面，如果结较浅，则部分光子将进入P-N结区；能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收会在结的两边产生电子-空穴对（少子浓度变化相对较大，我们只讨论少子）； 2）由于结内自建电场的作用，P区的光生少数载流子-电子就穿过P-N结进入N区，N区电势降低，相应的N区的光生空穴进入P区，P区电势升高，形成光生电动势； 3）当光生电流和正向电流相等时，就形成稳定的电动势，就是光电池的开路电压；如果将之与外电路接通，只要光照不停，就会有电流不断的流过电路，起到一个电源的作用。 3）正偏PN结中准费米能级的示意图如下 解释：以电子的费米能级为例，在N型中性区，基本没有非平衡载流子，电子和空穴有统一的费米能级； 在空穴扩散区，小注入时电子浓度可以认为就是热平衡电子浓度，所以此区电子的准费米能级可认为和中性区的保持一致； 势垒区和扩散区相比小得多，费米能级在此区的变化可忽略； 在电子扩散区，随着电子分布的变化，其准费米能级也随之发生变化。 下页放大图 3）正偏PN结中准费米能级的示意图如下 2.2 PN结的反向特性 反向偏压PN结的结构示意图（注意空间电荷区的变化，并同正偏情况相对比）； 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R P N 2.2 PN结的反向特性 反向偏压PN结的结构示意图； 能带图（准费米能级变化示意图）； 反向PN结的准费米能级示意图 2.2 PN结的反向特性 反向偏压PN结的结构示意图（注意空间电荷区的变化，并同正偏情况相对比）； 能带图； 少子分布图； 反向PN结P区少子浓度分布 反向PN结N区少子浓度分布 P N 2.2 PN结的反向特性 反向电流的主要成分就是势垒区两个边界处少数载流子扩散电流之和。 因为少子浓度很低，而少子的扩散长度基本没有变化所以反偏时，少子的浓度梯度很小，使反向电流也很小。 P N 2.2 PN结的反向特性 同样可以由波尔兹曼分布近似求解此时边界少子浓度： P N 2.3 理想PN结的伏安特性 什么是理想PN结？ 1）满足小注入条件； 2）耗尽层近似；即认为外加偏压全部降落在空间电荷区。 3）不考虑耗尽层中载流子的产生与复合，通过势垒区的电流密度不变； 4）波尔兹曼边界条件；在势垒区两端，载流子分布满足波尔兹曼分布。 5）忽略半导体表面对电流的影响； 2.3 理想PN结的伏安特性 为了简便，我们只考虑一维扩散问题，求解思路是： ①由波尔兹曼分布求势垒边界处非平衡少子浓度 ②解连续性方程，得到扩散区少子浓度分布函数 ③求解少子扩散电流密度 ④由少子扩散电流密度得到理想PN结的I－V方程 下页图 正向PN结的结构示意图 正向PN结的能带图 正向PN结的少子分布图 P区 N区 求解理想PN结的伏安特性 P26 3、实际PN结的特性 实际PN结和理想PN结的最大区别在于？ 理想PN结没有考虑势垒区载流子的产生和复合，也没有考虑半导体表面特性对电流的影响。 3.1 PN结空间电荷区的复合电流 3.2 PN结空间电荷区中的产生电流 3.3 PN结表面漏电流和表面复合、产生电流 3.4 PN结的大注入效应 3.5 PN结的温度特性 实际二极管的结构、特性和主要参数 正向PN结的结构示意图 3.1 PN结空间电荷区的复合电流 p44 P区 N区 这个复合电流的大小改变了PN结正向电流的成分，对三极管（npn或pnp）的电流增益有很大的影响，值得注意。 在正向电流较小时，此复合电流占主要成分 材料本征载流子浓度高，复合电流的影响相对较小 此电流的特点： 对器件的影响： 3.2 PN结空间电荷区中的产生电流 p46 这个产生电流主要在PN结反偏时起作用，对PN结的反向特性和反向电流的大小有很大的影响，但是，在后面分析器件时，我们一般只考虑反向扩散电流，不考虑势垒区产生电流。 正向PN结的结构示意