1、第六章第六章 pnpn結(jié)結(jié) 1 pn1 pn結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖 2 pn2 pn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性 3 pn3 pn結(jié)電容結(jié)電容 4 pn4 pn結(jié)擊穿結(jié)擊穿1 pn1 pn結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖 (1) pn(1) pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分布結(jié)的形成和雜質(zhì)分布(2) pn(2) pn結(jié)的基本概念結(jié)的基本概念pnpn結(jié)的基本概念結(jié)的基本概念空間電荷區(qū)空間電荷區(qū): : 在結(jié)面附近在結(jié)面附近, , 由于存在載流子濃度梯度由于存在載流子濃度梯度, ,導(dǎo)致導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散載流子的擴(kuò)散. . 擴(kuò)散的結(jié)果擴(kuò)散的結(jié)果: : 在結(jié)面附近在結(jié)面附近, ,出現(xiàn)靜電荷出現(xiàn)靜電荷- -空間空間電荷電

2、荷( (電離施主電離施主, ,電離受主電離受主). ). 空間電荷區(qū)中存在電場(chǎng)空間電荷區(qū)中存在電場(chǎng)- -內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng), ,內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)的方向的方向: np . : np . 在內(nèi)建電場(chǎng)作用下在內(nèi)建電場(chǎng)作用下, ,載流子要作載流子要作漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng). .A p-n junction in thermal equilibrium with zero bias voltage applied. Electrons and holes concentration are reported respectively with blue and red lines. Gray regions a

3、re charge neutral. Light red zone is positively charged. Light blue zone is negatively charged. The electric field is shown on the bottom, the electrostatic force on electrons and holes and the direction in which the diffusion tends to move electrons and holes. A PN junction in thermal equilibrium w

4、ith zero bias voltage applied. Under the junction, plots for the charge density, the electric field and the voltage are reported. 平衡平衡pnpn結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖: : 當(dāng)無(wú)外加電壓當(dāng)無(wú)外加電壓, , 載流子的流動(dòng)終將達(dá)到動(dòng)態(tài)載流子的流動(dòng)終將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡平衡( (漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的效果相抵消漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的效果相抵消, , 電電荷沒(méi)有凈流動(dòng)荷沒(méi)有凈流動(dòng)), pn), pn結(jié)有統(tǒng)一的結(jié)有統(tǒng)一的E EF F ( (平衡平衡pnpn結(jié)結(jié)) ) 結(jié)面附近結(jié)面附

5、近, ,存在內(nèi)建電場(chǎng)存在內(nèi)建電場(chǎng), ,造成能帶彎曲造成能帶彎曲, ,形成形成勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)( (即空間電荷區(qū)即空間電荷區(qū)). ).接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差: : pnpn結(jié)的勢(shì)壘高度結(jié)的勢(shì)壘高度qVqVD D 接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差V VD D 對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體, ,飽和電離近似飽和電離近似, ,接觸電勢(shì)為接觸電勢(shì)為: : V VD D與二邊摻雜有關(guān)與二邊摻雜有關(guān), , 與與EgEg有關(guān)有關(guān)20000lnlniDApnDnNNqTknnqTkV接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差 (1)(1)非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pnpn結(jié)結(jié)(2)(2)理想理想pnpn結(jié)模型及其電流電壓方程結(jié)模型及其電流電壓方程(

6、3)(3)影響影響pnpn結(jié)電流電壓特性偏離理想方程結(jié)電流電壓特性偏離理想方程 的各種因素的各種因素2 pn2 pn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性(1)(1)非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pnpn結(jié)結(jié)外加電壓下，外加電壓下，pn 結(jié)勢(shì)壘的變化及載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)勢(shì)壘的變化及載流子的運(yùn)動(dòng)holes (+) out of P-sideVapplied is sucking more:electrons (-) out of N-sideDepletion region will be larger外加直流電壓下，外加直流電壓下， pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖(2)(2)理想理想pnpn結(jié)模型及其電流電壓方

7、程結(jié)模型及其電流電壓方程理想理想pnpn結(jié)模型結(jié)模型 小注入條件；小注入條件； 突變耗盡層條件；突變耗盡層條件； 通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用；層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用； 玻耳茲曼邊界條件玻耳茲曼邊界條件理想理想pnpn結(jié)模型電流電壓方程求解結(jié)模型電流電壓方程求解 pn pn結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性w定性圖象定性圖象 正向偏壓下正向偏壓下, ,勢(shì)壘降低勢(shì)壘降低, , 正向電流隨正向電壓的正向電流隨正向電壓的增加很快增加增加很快增加. . 反向偏壓下反向偏壓下, ,勢(shì)壘升高勢(shì)壘升高, , 反向電流很小

8、反向電流很小, ,并可達(dá)并可達(dá)到飽和到飽和. .10TkqvseJJTkqvseJJ0單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦哉餍?yīng)整流效應(yīng)sJJ正向偏壓正向偏壓反向偏壓反向偏壓 pn pn結(jié)電容的來(lái)源結(jié)電容的來(lái)源w電容效應(yīng)電容效應(yīng)wpn結(jié)有整流效應(yīng)，但又含破壞整流特性因素結(jié)有整流效應(yīng)，但又含破壞整流特性因素-pn結(jié)電容結(jié)電容w低頻電壓下，低頻電壓下， pn結(jié)起整流作用結(jié)起整流作用w電壓頻率增高時(shí)，整流特性變壞，甚至沒(méi)有整流效應(yīng)電壓頻率增高時(shí)，整流特性變壞，甚至沒(méi)有整流效應(yīng)w討論討論pn結(jié)的電容特性結(jié)的電容特性w勢(shì)壘電容，擴(kuò)散電容勢(shì)壘電容，擴(kuò)散電容 3 pn3 pn結(jié)電容結(jié)電容勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容 C CT T 當(dāng)

9、當(dāng)pnpn結(jié)上外加電壓變結(jié)上外加電壓變化，勢(shì)壘區(qū)的空間電荷相化，勢(shì)壘區(qū)的空間電荷相應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng)應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng). . 當(dāng)當(dāng)pnpn結(jié)上外加的正向電壓結(jié)上外加的正向電壓增加，勢(shì)壘高度降低增加，勢(shì)壘高度降低空空間電荷減少；間電荷減少； 當(dāng)當(dāng)pnpn結(jié)上外加的反向電壓結(jié)上外加的反向電壓增加，勢(shì)壘高度增加增加，勢(shì)壘高度增加空空間電荷增加；間電荷增加；電容效應(yīng)電容效應(yīng) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容 C CD D 當(dāng)當(dāng)pnpn結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對(duì)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對(duì)應(yīng)的電容效應(yīng)應(yīng)的電容效應(yīng). . 當(dāng)正向偏置電壓增加，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非當(dāng)

10、正向偏置電壓增加，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加平衡載流子積累很快增加 在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不大不大, ,擴(kuò)散電容可忽略擴(kuò)散電容可忽略wpnpn結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加結(jié)的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化電壓而變化w微分電容微分電容: : C=dQ/dV C=dQ/dV突變突變結(jié)的勢(shì)壘電容結(jié)的勢(shì)壘電容突變突變結(jié)的勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)、電勢(shì)分布結(jié)的勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)、電勢(shì)分布突變結(jié)的突變結(jié)的勢(shì)壘寬度勢(shì)壘寬度XDpnpn結(jié)的隧道效應(yīng)結(jié)的隧道效應(yīng)w隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)能量低于勢(shì)壘的粒子有一定的幾能量低于勢(shì)壘的粒子有一定的幾率穿越勢(shì)壘率穿越勢(shì)壘. 這是一種量子力

11、學(xué)效應(yīng)這是一種量子力學(xué)效應(yīng)w 隧穿幾率與勢(shì)壘的高度有關(guān)隧穿幾率與勢(shì)壘的高度有關(guān), 與勢(shì)壘的厚度與勢(shì)壘的厚度有關(guān)有關(guān).w 隧道二極管隧道二極管利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)w隧道結(jié)隧道結(jié) pnpn結(jié)結(jié), , 兩邊都是重?fù)诫s兩邊都是重?fù)诫s( (簡(jiǎn)并情況簡(jiǎn)并情況), ), 以至在以至在p p區(qū)區(qū), E, EF F進(jìn)入價(jià)帶進(jìn)入價(jià)帶; ; 在在n n區(qū)區(qū), E, EF F進(jìn)入導(dǎo)帶進(jìn)入導(dǎo)帶. .w結(jié)果結(jié)果: n n區(qū)的導(dǎo)帶底部與區(qū)的導(dǎo)帶底部與p p區(qū)的價(jià)帶頂部在能量上區(qū)的價(jià)帶頂部在能量上發(fā)生交疊發(fā)生交疊 勢(shì)壘十分薄勢(shì)壘十分薄w電子可以隧道貫穿勢(shì)壘區(qū)電子可以隧道貫穿勢(shì)壘區(qū). .JVJp

12、JvVvVp054321隧道結(jié)的隧道結(jié)的I-V特性特性隧道結(jié)的隧道結(jié)的I-VI-V特性特性w正向電流一開(kāi)始就隨正向電壓的增加而迅速正向電流一開(kāi)始就隨正向電壓的增加而迅速上升上升, ,達(dá)到一個(gè)極大達(dá)到一個(gè)極大, ( , (峰值電流峰值電流I Ip p, ,峰值電壓峰值電壓V Vp p ) )w隨后隨后, ,電壓增加電壓增加, ,電流反而減少電流反而減少, ,達(dá)到一個(gè)極達(dá)到一個(gè)極小小,( ,(谷值電流谷值電流I Iv v, ,谷值電壓谷值電壓V Vv v) ) 在在V Vp p到到V Vv v的電壓范圍內(nèi)的電壓范圍內(nèi), ,出現(xiàn)負(fù)阻特性出現(xiàn)負(fù)阻特性. .w當(dāng)電壓大于谷值電壓后當(dāng)電壓大于谷值電壓后, ,電流又隨電壓而上升電流又隨電壓而上升w在隧道結(jié)中在隧道結(jié)中, ,正向電流由兩部分組成正向電流由兩部分組成: : 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流, ,隧道電流隧道電流w擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流: :隨正向電壓增加而指數(shù)增加，但在隨正向電壓增加而指數(shù)增加，但在較低正向電壓下，擴(kuò)散電流很小較低正向電壓下，擴(kuò)散電流很小w隧道電流隧道電流: