固態(tài)電子論2016-第七章教材

1、1 如果在一個結(jié)構(gòu)中，不止一種半導(dǎo)體存在如果在一個結(jié)構(gòu)中，不止一種半導(dǎo)體存在，則，則不同部分接觸界面附近的情況比較復(fù)雜不同部分接觸界面附近的情況比較復(fù)雜，不同于單一的半導(dǎo)體。不同于單一的半導(dǎo)體。7.1 pn結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)7.2 pn結(jié)電流電壓特性結(jié)電流電壓特性7.3 pn結(jié)電容結(jié)電容7.4 pn結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性7.5 金屬半導(dǎo)體接觸與能帶圖金屬半導(dǎo)體接觸與能帶圖7.6 金屬半導(dǎo)體接觸電流電壓特性金屬半導(dǎo)體接觸電流電壓特性27.1 pn結(jié)及其能帶圖結(jié)及其能帶圖7.1.1 pn結(jié)的雜質(zhì)分布結(jié)的雜質(zhì)分布圖圖7.1 pn結(jié)的基本結(jié)的基本結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖pn結(jié)的形成方法：以一種

2、導(dǎo)結(jié)的形成方法：以一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體為襯底，利電類型的半導(dǎo)體為襯底，利用用合金法、擴(kuò)散法、生長法、合金法、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法離子注入法等方法生長另一等方法生長另一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。課外閱讀：常見課外閱讀：常見pn結(jié)形成方法結(jié)形成方法pn結(jié)有兩種常見的雜質(zhì)分布情況：突變結(jié)和緩變結(jié)結(jié)有兩種常見的雜質(zhì)分布情況：突變結(jié)和緩變結(jié)1. 突變結(jié)突變結(jié) DjAjNxNxxNxNxx, 合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是一般可認(rèn)為是突變結(jié)，比如突變結(jié)，比如p+n或或n+p結(jié)。結(jié)中雜質(zhì)分布表示如圖結(jié)。結(jié)中雜質(zhì)分布表示如圖7.2所示。所示。突

3、變結(jié)的雜質(zhì)分布表達(dá)式為突變結(jié)的雜質(zhì)分布表達(dá)式為:圖圖7.2 突變結(jié)的雜質(zhì)分布突變結(jié)的雜質(zhì)分布7.1.1 pn結(jié)的雜質(zhì)分布結(jié)的雜質(zhì)分布2. 緩變結(jié)緩變結(jié)jjADxxNN低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)中，雜質(zhì)濃度中，雜質(zhì)濃度從從p區(qū)到區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，為緩變結(jié)。區(qū)是逐漸變化的，為緩變結(jié)。圖圖7.3 緩變結(jié)的雜質(zhì)分布緩變結(jié)的雜質(zhì)分布對于深緩變結(jié)，可以用對于深緩變結(jié)，可以用x=xj處的處的切線來近似表示其雜質(zhì)分布，如切線來近似表示其雜質(zhì)分布，如圖圖7.4所示，稱之為線性緩變結(jié)。所示，稱之為線性緩變結(jié)。線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為：線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為：j是是x=xj處的切線的斜率

4、，稱為處的切線的斜率，稱為雜質(zhì)濃度梯度。雜質(zhì)濃度梯度。圖圖7.4 線性緩變結(jié)線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布的雜質(zhì)分布7.1.1 pn結(jié)的雜質(zhì)分布結(jié)的雜質(zhì)分布7.1.2 平衡平衡pn結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程圖圖7.5 平衡平衡pn結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程載流子的兩種運動載流子的兩種運動: 擴(kuò)散運動擴(kuò)散運動:多子在濃度差作用下定向移動多子在濃度差作用下定向移動 漂移運動漂移運動:在內(nèi)建電場的作用下少子的定向移動在內(nèi)建電場的作用下少子的定向移動,阻礙了擴(kuò)散運動的進(jìn)行。阻礙了擴(kuò)散運動的進(jìn)行。pn結(jié)電荷和電場情況（空間電荷區(qū)、耗盡層）結(jié)電荷和電場情況（空間電荷區(qū)、耗盡層）: 由帶正電的電離施主和帶負(fù)電的電離受主雜

5、質(zhì)構(gòu)成由帶正電的電離施主和帶負(fù)電的電離受主雜質(zhì)構(gòu)成,存在內(nèi)建電場，電場方向由存在內(nèi)建電場，電場方向由n區(qū)指向區(qū)指向p區(qū)；當(dāng)區(qū)；當(dāng)pn結(jié)達(dá)到結(jié)達(dá)到平衡時，凈電流為零，空間電荷區(qū)寬度一定。平衡時，凈電流為零，空間電荷區(qū)寬度一定。 中性區(qū)中性區(qū)+空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)+中性區(qū)中性區(qū)7.1.2 平衡平衡pn結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程一、平衡一、平衡pn結(jié)的電勢情況結(jié)的電勢情況:7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖由于內(nèi)建電場的存在，由于內(nèi)建電場的存在，空間電荷區(qū)內(nèi)電勢空間電荷區(qū)內(nèi)電勢V(x)由由n區(qū)區(qū)向向p區(qū)不斷降低，而電子電勢越高的地方電子的能量區(qū)不斷降低，而電子電勢越高的地方電子的能量越低，所

6、以能帶中的能量由越低，所以能帶中的能量由n區(qū)向區(qū)向p區(qū)逐漸升高。區(qū)逐漸升高。圖圖7.6 平衡平衡pn結(jié)的電勢分布結(jié)的電勢分布內(nèi)內(nèi)二、平衡二、平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EcpEiEvpEFpn型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EcnEiEvnEFnEF-xpxnpn結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)EEcEvqVD圖圖7.7 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體形成當(dāng)兩塊半導(dǎo)體形成pn結(jié)時，結(jié)時，電子將從費米能級電子將從費米能級高的高的n區(qū)流向費米能級低的區(qū)流向費米能級低的p區(qū)，區(qū)，當(dāng)當(dāng)pn結(jié)處于平衡狀結(jié)處于平衡狀態(tài)時，兩者的費米能級達(dá)到一致。此時，態(tài)時，兩者的費米

7、能級達(dá)到一致。此時，n區(qū)整個能區(qū)整個能帶比帶比p區(qū)整個能帶低，空間電荷區(qū)內(nèi)的能帶產(chǎn)生彎曲，區(qū)整個能帶低，空間電荷區(qū)內(nèi)的能帶產(chǎn)生彎曲，彎曲的高度即為彎曲的高度即為qVD。當(dāng)電子從勢能低的。當(dāng)電子從勢能低的n區(qū)向勢能區(qū)向勢能高的高的p區(qū)運動時，必須克服這一勢能高坡，對空穴也區(qū)運動時，必須克服這一勢能高坡，對空穴也一樣，所以也稱空間電荷區(qū)為一樣，所以也稱空間電荷區(qū)為勢壘區(qū)勢壘區(qū)。 平衡平衡pn結(jié)中費米能級處處相等結(jié)中費米能級處處相等恰好標(biāo)志了每一恰好標(biāo)志了每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流相互抵消，沒有凈種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流相互抵消，沒有凈電流流過電流流過pn結(jié)，這一結(jié)論也可從電流密度方程式推

8、結(jié)，這一結(jié)論也可從電流密度方程式推出。出。7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖證明如下證明如下: 考慮電子電流，流過考慮電子電流，流過pn結(jié)的電子總電流密度為結(jié)的電子總電流密度為: 由愛因斯坦關(guān)系由愛因斯坦關(guān)系,則則 由平衡非簡并半導(dǎo)體電子濃度公式由平衡非簡并半導(dǎo)體電子濃度公式:dxdnqDnqJnnnndxdqTknqdxdnqTknqJnnnln00TkEEnniFi0exp7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖得到得到:而本征費米能級而本征費米能級Ei的變化與電子電勢能的變化與電子電勢能-qV(x)的變的變化一致，所以化一致，所以:dxdEdxdETkndxdiF01ln

9、qdxxdVqdxdEidxdEdxdEqnqJiFnn17.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖帶入后得到電子總電流密度帶入后得到電子總電流密度:同理，空穴總電流密度為同理，空穴總電流密度為:nnFFnnnJdxdEdxdEnJppFFpppJdxdEdxdEpJ7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖常數(shù)FFEdxdE, 0上兩式表示了費米能級隨位置的變化和電流密度之上兩式表示了費米能級隨位置的變化和電流密度之間的關(guān)系。對于平衡間的關(guān)系。對于平衡pn結(jié)，結(jié)，Jn和和Jp均為零，因此有均為零，因此有:上述關(guān)系式還說明當(dāng)電流密度一定時，上述關(guān)系式還說明當(dāng)電流密度一定時，載流子濃度載流子

10、濃度大的地方，大的地方，EF隨位置變化小，而載流子濃度小的地隨位置變化小，而載流子濃度小的地方，方，EF隨位置變化較大。隨位置變化較大。7.1.3 平衡平衡pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 從能帶圖中可以看出，勢壘高度正好補償了兩個從能帶圖中可以看出，勢壘高度正好補償了兩個半導(dǎo)體的費米能級的差異，即：半導(dǎo)體的費米能級的差異，即：令令nn0和和np0分別表示分別表示n區(qū)和區(qū)和p區(qū)平衡電子濃度，則：區(qū)平衡電子濃度，則： 平衡平衡pn結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢差結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢差VD稱為稱為pn結(jié)接觸電勢差或內(nèi)建電勢差結(jié)接觸電勢差或內(nèi)建電勢差，相應(yīng)的，相應(yīng)的qVD稱為稱為pn結(jié)勢結(jié)勢壘高度。壘高度。F

11、pFnDEEqVTkEEnnTkEEnniFpipiFnino000expexp7.1.4 接觸電勢差接觸電勢差兩式相除取對數(shù)得兩式相除取對數(shù)得:若半導(dǎo)體處于強(qiáng)電離區(qū)，則若半導(dǎo)體處于強(qiáng)電離區(qū)，則接觸電勢差接觸電勢差VD和和pn結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。的禁帶寬度有關(guān)。一定溫度下，突變結(jié)兩邊摻雜濃度一定溫度下，突變結(jié)兩邊摻雜濃度越高，越高，VD越大；禁帶寬度越大，越大；禁帶寬度越大，ni越小，越小，VD也越大也越大。FpFnpnoEETknn001ln20ln1iADFpFnDnNNqTkEEqVAipoDnoNnnNn2,7.1.4 接觸電勢差接觸

12、電勢差取取p區(qū)電勢為零，勢壘區(qū)中一點區(qū)電勢為零，勢壘區(qū)中一點x的電勢的電勢V(x)為正值，為正值，且越接近且越接近n區(qū)的點電勢越高。到勢壘區(qū)靠近區(qū)的點電勢越高。到勢壘區(qū)靠近n一側(cè)邊界一側(cè)邊界xn處的電勢最高為處的電勢最高為VD，用用xn和和-xp分別代表分別代表n區(qū)和區(qū)和p區(qū)勢區(qū)勢壘區(qū)的邊界。勢壘區(qū)內(nèi)點壘區(qū)的邊界。勢壘區(qū)內(nèi)點x處的電子的附加電勢能為處的電子的附加電勢能為E(x)=-qV(x)。對非簡并半導(dǎo)體，考慮內(nèi)建電場的附加電勢后對非簡并半導(dǎo)體，考慮內(nèi)建電場的附加電勢后:TkqVxqVnTkxEEnxnDncnn0000)(exp)(exp)(7.1.5 pn結(jié)中的載流子分布結(jié)中的載流子分布

13、當(dāng)當(dāng)x=xn時時,V(x)=VD n(xn)=nn0當(dāng)當(dāng)x=-xp時時,V(x)=0而而n(-xp)為為p區(qū)中平衡少數(shù)載流子區(qū)中平衡少數(shù)載流子-電子的濃度電子的濃度np0,因因此可得到空間電荷區(qū)兩邊界處電子濃度的關(guān)系此可得到空間電荷區(qū)兩邊界處電子濃度的關(guān)系:同理，求得同理，求得x處的空穴濃度為處的空穴濃度為:TkqVnnxnDnpp000exp)(TkqVexpppDnp000TkxqVqVpxpDn00)(exp)(勢壘區(qū)勢壘區(qū)當(dāng)當(dāng)x=-xp時，時，圖圖7.8 平衡平衡pn結(jié)中的載結(jié)中的載流子濃度分布流子濃度分布7.1.5 pn結(jié)中的載流子分布結(jié)中的載流子分布以上的推導(dǎo)說明，以上的推導(dǎo)說明，

14、平衡平衡pn結(jié)中同一種載流子在勢壘區(qū)結(jié)中同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻耳茲曼分布函數(shù)的關(guān)系兩邊的濃度關(guān)系服從玻耳茲曼分布函數(shù)的關(guān)系。TkqVexpnnDnp000TkqVexpppDnp000在勢壘區(qū)內(nèi)，多子濃度隨在勢壘區(qū)內(nèi)，多子濃度隨x呈指數(shù)衰減。呈指數(shù)衰減。在室溫附近，在室溫附近，雖然勢壘區(qū)內(nèi)雜質(zhì)基本全部電離，但載流子濃度比起雖然勢壘區(qū)內(nèi)雜質(zhì)基本全部電離，但載流子濃度比起n區(qū)和區(qū)和p區(qū)多數(shù)載流子濃度小得多，就像載流子全部耗區(qū)多數(shù)載流子濃度小得多，就像載流子全部耗盡了一樣盡了一樣,所以又稱為耗盡層。所以又稱為耗盡層。耗盡層內(nèi)載流子濃度耗盡層內(nèi)載流子濃度可忽略不計，空間電荷密度就等于

15、電離雜質(zhì)濃度可忽略不計，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度。7.1.5 pn結(jié)中的載流子分布結(jié)中的載流子分布7.2 pn結(jié)電流電壓特性結(jié)電流電壓特性 pn結(jié)常常工作在結(jié)常常工作在外加電壓外加電壓的情況下，此時的情況下，此時pn結(jié)處結(jié)處于非平衡狀態(tài)于非平衡狀態(tài)，有電流流過，其能帶圖也會發(fā)生改變，有電流流過，其能帶圖也會發(fā)生改變，流過的電流密度與外加正流過的電流密度與外加正(負(fù)負(fù))電壓有定量關(guān)系。電壓有定量關(guān)系。 這一節(jié)我們就要討論外加正負(fù)電壓情況下這一節(jié)我們就要討論外加正負(fù)電壓情況下pn的各的各種改變，并利用連續(xù)性方程推導(dǎo)其電流電壓方程，并種改變，并利用連續(xù)性方程推導(dǎo)其電流電壓方程，并結(jié)合實際簡單分

16、析影響其電流電壓關(guān)系偏離的各種因結(jié)合實際簡單分析影響其電流電壓關(guān)系偏離的各種因素。素。7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化一一 外加偏壓下外加偏壓下pn結(jié)電流的形成結(jié)電流的形成 現(xiàn)象：現(xiàn)象：外加偏壓外加偏壓V使使勢壘區(qū)區(qū)寬度減小勢壘區(qū)區(qū)寬度減小，勢壘高度降為，勢壘高度降為q(VD-V)；擴(kuò)散運動；擴(kuò)散運動大于漂移運動，大于漂移運動，pn結(jié)內(nèi)有由結(jié)內(nèi)有由p區(qū)流向區(qū)流向n區(qū)的凈擴(kuò)散電流，區(qū)的凈擴(kuò)散電流，pn結(jié)導(dǎo)通；正向電結(jié)導(dǎo)通；正向電流隨流隨V增大而增大，增大而增大，形成非平衡載流子形成非平衡載流子的電注入。的電注入。 正向偏壓正向偏壓V時：即時：即p區(qū)接正電壓，區(qū)接正電壓，n

17、區(qū)接負(fù)電壓區(qū)接負(fù)電壓7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化圖圖7.9 正向偏壓下的正向偏壓下的pn結(jié)結(jié) 分析正向電流的形成過程：分析正向電流的形成過程： 當(dāng)當(dāng)p區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，n區(qū)接電源負(fù)極時，區(qū)接電源負(fù)極時，pn結(jié)外結(jié)外加正向偏壓。勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很低，電壓主要加正向偏壓。勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很低，電壓主要落在勢壘區(qū)。由于勢壘區(qū)電場減弱，削弱了載流子落在勢壘區(qū)。由于勢壘區(qū)電場減弱，削弱了載流子的漂移運動，使擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生了電的漂移運動，使擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生了電子從子從n區(qū)向區(qū)向p區(qū)及空穴從區(qū)及空穴從p區(qū)向區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流。區(qū)的凈擴(kuò)散流。 電

18、子通過勢壘區(qū)擴(kuò)散入電子通過勢壘區(qū)擴(kuò)散入p區(qū)，在邊界區(qū)，在邊界pp(x=-xp)處形成電子的積累，成為處形成電子的積累，成為p區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，使使pp處電子濃度比處電子濃度比p區(qū)內(nèi)部高，形成了從區(qū)內(nèi)部高，形成了從pp向向p區(qū)區(qū)內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。邊擴(kuò)散邊與內(nèi)部的電子擴(kuò)散流。邊擴(kuò)散邊與p區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過比擴(kuò)散長度大若干倍的距離后，全部被復(fù)合，這過比擴(kuò)散長度大若干倍的距離后，全部被復(fù)合，這一段區(qū)域稱為電子擴(kuò)散區(qū)。一段區(qū)域稱為電子擴(kuò)散區(qū)。7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化 在一定的正向偏壓下，單位時間內(nèi)從在一定的正向偏壓下，單位時間內(nèi)從

19、n區(qū)來到區(qū)來到pp處的處的非平衡少子濃度是一定的，并在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成一穩(wěn)定非平衡少子濃度是一定的，并在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成一穩(wěn)定的分布。所以，當(dāng)正向偏壓一定時，在的分布。所以，當(dāng)正向偏壓一定時，在pp處就有一處就有一不變的向不變的向p區(qū)內(nèi)部流動的電子擴(kuò)散電流。區(qū)內(nèi)部流動的電子擴(kuò)散電流。 同理，在邊界同理，在邊界nn處也有一不變的向處也有一不變的向n區(qū)內(nèi)部流動的空區(qū)內(nèi)部流動的空穴擴(kuò)散流，非平衡的空穴邊擴(kuò)散邊復(fù)合的區(qū)域稱為空穴擴(kuò)散流，非平衡的空穴邊擴(kuò)散邊復(fù)合的區(qū)域稱為空穴擴(kuò)散區(qū)。穴擴(kuò)散區(qū)。n區(qū)的電子和區(qū)的電子和p區(qū)的空穴都是多數(shù)載流子，區(qū)的空穴都是多數(shù)載流子，分別進(jìn)入分別進(jìn)入p區(qū)和區(qū)和n區(qū)后成為非平衡少數(shù)載

20、流子。區(qū)后成為非平衡少數(shù)載流子。 當(dāng)增大正向偏壓時，勢壘降的更低，增大了流入當(dāng)增大正向偏壓時，勢壘降的更低，增大了流入p區(qū)區(qū)的電子流和流入的電子流和流入n區(qū)的空穴流。這種由于外加正向偏區(qū)的空穴流。這種由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為壓的作用使非平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程稱為非平非平衡載流子的電注入，也稱正向偏壓下的少子注入。衡載流子的電注入，也稱正向偏壓下的少子注入。 p型中性區(qū)型中性區(qū)+電子擴(kuò)散區(qū)電子擴(kuò)散區(qū)+勢壘區(qū)勢壘區(qū)+空穴擴(kuò)散區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)+n型中性區(qū)型中性區(qū) 7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化pn結(jié)結(jié) 外加正向電壓下外加正向電壓下pn結(jié)中電流

21、的分布結(jié)中電流的分布: 在恒定的正向偏壓下，流過在恒定的正向偏壓下，流過pn結(jié)的總電流為電子電流和空穴結(jié)的總電流為電子電流和空穴電流之和。在勢壘區(qū)以外的部電流之和。在勢壘區(qū)以外的部分分,電子電流和空穴電流并不相電子電流和空穴電流并不相等等(例如在電子從例如在電子從pp邊界向內(nèi)邊界向內(nèi)部擴(kuò)散時，電子不斷與部擴(kuò)散時，電子不斷與p區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)部的空穴復(fù)合，電子電流不斷部的空穴復(fù)合，電子電流不斷轉(zhuǎn)化為空穴電流轉(zhuǎn)化為空穴電流)，但，但通過通過pn結(jié)結(jié)任一截面的總電流是相等的。任一截面的總電流是相等的。 設(shè)勢壘區(qū)的電子電流和空穴電流的均保持不變設(shè)勢壘區(qū)的電子電流和空穴電流的均保持不變,則則流過流過pn結(jié)的總電

22、流，就等于通過邊界結(jié)的總電流，就等于通過邊界pp的電子擴(kuò)的電子擴(kuò)散電流與通過邊界散電流與通過邊界nn的空穴擴(kuò)散電流之和。的空穴擴(kuò)散電流之和。圖圖7.10 正向偏壓下正向偏壓下pn結(jié)中的電流分布結(jié)中的電流分布7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化外加偏壓使勢壘區(qū)寬外加偏壓使勢壘區(qū)寬度增大，勢壘高度增度增大，勢壘高度增高至高至q(VD+V)；漂；漂移運動大于擴(kuò)散運動，移運動大于擴(kuò)散運動，出現(xiàn)由出現(xiàn)由n區(qū)流向區(qū)流向p區(qū)的區(qū)的很小的電流，很小的電流，pn結(jié)截結(jié)截止；反向電流隨反向止；反向電流隨反向電壓增加緩慢并趨向電壓增加緩慢并趨向飽和，稱為少子的抽飽和，稱為少子的抽取取(或少子的吸

23、出或少子的吸出) 。 反向偏壓時：即反向偏壓時：即p接負(fù)電壓，接負(fù)電壓，n區(qū)接正電壓區(qū)接正電壓7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化圖圖7.11 反向偏壓下的反向偏壓下的pn結(jié)結(jié) 分析反向電流形成的過程分析反向電流形成的過程: 反向偏壓增強(qiáng)了勢壘區(qū)的內(nèi)建電場，破壞了載流反向偏壓增強(qiáng)了勢壘區(qū)的內(nèi)建電場，破壞了載流子的擴(kuò)散運動和漂移運動之間的平衡，使漂移流大于子的擴(kuò)散運動和漂移運動之間的平衡，使漂移流大于擴(kuò)散流。這時擴(kuò)散流。這時n區(qū)邊界區(qū)邊界nn處的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場處的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場驅(qū)向驅(qū)向p區(qū)，而區(qū)，而p區(qū)邊界區(qū)邊界pp處的電子被驅(qū)向處的電子被驅(qū)向n區(qū)。當(dāng)這些區(qū)。當(dāng)這

24、些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補充，形少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，內(nèi)部的少子就來補充，形成了反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。這成了反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。這種情況好象少數(shù)載流子不斷被抽出來一樣，所以稱為種情況好象少數(shù)載流子不斷被抽出來一樣，所以稱為少數(shù)載流子的抽取或吸出少數(shù)載流子的抽取或吸出。p型中性區(qū)型中性區(qū)+電子擴(kuò)散區(qū)電子擴(kuò)散區(qū)+勢壘區(qū)勢壘區(qū)+空穴擴(kuò)散區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)+n型中性區(qū)型中性區(qū)7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化pn結(jié)結(jié) 外加反向電壓下外加反向電壓下pn結(jié)中電流的分布結(jié)中電流的分布: pn結(jié)中總的反向電流等于勢壘區(qū)邊界結(jié)中總的反向電流

25、等于勢壘區(qū)邊界nn和和pp附附近的少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流之和。因為室溫下少子主近的少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流之和。因為室溫下少子主要來自本征激發(fā)，少子濃度低而擴(kuò)散長度基本不變，要來自本征激發(fā)，少子濃度低而擴(kuò)散長度基本不變，所以少子濃度梯度也較小，反向電流很小。當(dāng)反向偏所以少子濃度梯度也較小，反向電流很小。當(dāng)反向偏壓很大時，邊界處的少子可以認(rèn)為是零，少子濃度梯壓很大時，邊界處的少子可以認(rèn)為是零，少子濃度梯度不再隨電壓變化，因此擴(kuò)散流也不隨電壓變化。所度不再隨電壓變化，因此擴(kuò)散流也不隨電壓變化。所以在反向偏壓下，以在反向偏壓下，pn結(jié)的電流較小并趨于不變。結(jié)的電流較小并趨于不變。 7.2.1 非平衡狀態(tài)下

26、的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化二二 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 正向偏壓下正向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 nnFnJdxdEppFpJdxdE圖圖7.12 正向偏壓下正向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖)exp()exp(0000TkEEppTkEEnnFpFFFn7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化 注意的問題注意的問題: 準(zhǔn)費米能級準(zhǔn)費米能級EFn和和EFp的出現(xiàn)的出現(xiàn) 在有非平衡載流子存在的區(qū)域內(nèi)，必須用電子在有非平衡載流子存在的區(qū)域內(nèi)，必須用電子準(zhǔn)費米能級準(zhǔn)費米能級EFn和空穴準(zhǔn)費米能級和空穴準(zhǔn)費米能級EFp代替代替EF，包括，包括勢壘

27、區(qū)和兩側(cè)的擴(kuò)散區(qū)。最外側(cè)的勢壘區(qū)和兩側(cè)的擴(kuò)散區(qū)。最外側(cè)的p型和型和n型中性區(qū)型中性區(qū)仍然有統(tǒng)一的費米能級。仍然有統(tǒng)一的費米能級。 兩個能量差值兩個能量差值 外加正向電壓時外加正向電壓時,勢壘高度勢壘高度(p區(qū)和區(qū)和n區(qū)能帶的高區(qū)能帶的高度差度差)由由qVD變?yōu)樽優(yōu)閝(VD-V)；勢壘區(qū)內(nèi)兩個準(zhǔn)費米能級；勢壘區(qū)內(nèi)兩個準(zhǔn)費米能級的高度差為的高度差為qV，即，即:qVEEFpFn7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化 注意的問題注意的問題: 準(zhǔn)費米能級準(zhǔn)費米能級EFn和和EFp隨位置不同而變化隨位置不同而變化 前面已經(jīng)證明，費米能級隨載流子濃度而變化。前面已經(jīng)證明，費米能級隨載流子

28、濃度而變化。在空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，在空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)， EFn基本不變，基本不變， EFp由邊界由邊界nn向內(nèi)向內(nèi)部為一條斜線，到比部為一條斜線，到比Lp大很多的地方時，兩個準(zhǔn)費米大很多的地方時，兩個準(zhǔn)費米能級重合；在電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，能級重合；在電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)， EFp基本不變，基本不變， EFn由由邊界邊界pp向內(nèi)部為一條斜線，到比向內(nèi)部為一條斜線，到比Ln大很多的地方時大很多的地方時，兩個準(zhǔn)費米能級重合。，兩個準(zhǔn)費米能級重合。 由于擴(kuò)散區(qū)比勢壘區(qū)大很多，準(zhǔn)費米能級的變化由于擴(kuò)散區(qū)比勢壘區(qū)大很多，準(zhǔn)費米能級的變化主要發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)，所以在勢壘區(qū)中兩個準(zhǔn)費米能級主要發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)，所以在勢壘區(qū)中兩個準(zhǔn)費米能級基

29、本保持水平?；颈３炙健?7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化 反向偏壓下反向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 圖圖7.13 反向偏壓下反向偏壓下pn結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化 注意的問題注意的問題: 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時，在電子擴(kuò)散區(qū)、勢壘區(qū)結(jié)加反向偏壓時，在電子擴(kuò)散區(qū)、勢壘區(qū)、空穴擴(kuò)散區(qū)中，電子和空穴的準(zhǔn)費米能級隨位置、空穴擴(kuò)散區(qū)中，電子和空穴的準(zhǔn)費米能級隨位置的變化規(guī)律與正向偏壓基本相似，所不同的是的變化規(guī)律與正向偏壓基本相似，所不同的是EFn和和EFp的相對位置發(fā)生了改變。的相對位置發(fā)生了改變。 正向偏壓時，正向偏

30、壓時， EFn高于高于EFp ，即，即EFn EFp ；反向；反向偏壓時，偏壓時， EFp高于高于EFn ，即，即EFp EFn 。7.2.1 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)變化結(jié)變化7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程一、理想一、理想pn結(jié)的模型結(jié)的模型 小注入條件；小注入條件； 突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢都落在耗盡突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢都落在耗盡層上，耗盡層中電荷由電離施主和電離受主組成，層上，耗盡層中電荷由電離施主和電離受主組成，在耗盡層以外是電中性的；在耗盡層以外是電中性的； 玻爾茲曼邊界條件：耗盡層兩端載流子的分布服從玻爾茲曼邊

31、界條件：耗盡層兩端載流子的分布服從玻爾茲曼統(tǒng)計分布；玻爾茲曼統(tǒng)計分布； pn結(jié)內(nèi)部的電流處處相等，耗盡層的電子電流和結(jié)內(nèi)部的電流處處相等，耗盡層的電子電流和空穴電流為恒定值，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生空穴電流為恒定值，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。及復(fù)合作用。 二、理想二、理想pn結(jié)的電流電壓方程結(jié)的電流電壓方程 前面前面已經(jīng)推導(dǎo)出，流過已經(jīng)推導(dǎo)出，流過pn結(jié)結(jié)的總電流就等于通過邊界的總電流就等于通過邊界pp(x=-xp)的電子擴(kuò)散電流的電子擴(kuò)散電流與通過邊界與通過邊界nn(x=xn)的空穴的空穴擴(kuò)散電流之和，即擴(kuò)散電流之和，即:pnxxnxxpJJJ擴(kuò)擴(kuò)7.2.2 理想理想pn結(jié)的電

32、流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 根據(jù)準(zhǔn)費米能級計算勢壘區(qū)邊界根據(jù)準(zhǔn)費米能級計算勢壘區(qū)邊界nn和和pp處注入處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；的非平衡少數(shù)載流子濃度； 以邊界以邊界nn和和pp處非平衡少數(shù)載流子濃度為邊界處非平衡少數(shù)載流子濃度為邊界條件，解擴(kuò)散區(qū)內(nèi)載流子的連續(xù)性方程，得到擴(kuò)散條件，解擴(kuò)散區(qū)內(nèi)載流子的連續(xù)性方程，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)；區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)； 將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)代入擴(kuò)散方將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)代入擴(kuò)散方程，算出少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流密度；程，算出少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流密度； 將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加，就

33、得到理想將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加，就得到理想pn結(jié)的電流電壓方程。結(jié)的電流電壓方程。求解理想求解理想pn結(jié)電流電壓方程的步驟：結(jié)電流電壓方程的步驟：7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 根據(jù)準(zhǔn)費米能級計算勢壘區(qū)邊界根據(jù)準(zhǔn)費米能級計算勢壘區(qū)邊界nn和和pp處注入的處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度非平衡少數(shù)載流子濃度; TkEEnpnTkEEnpTkEEnnFpFnippFpiipiFnip0200expexpexp理想理想pn結(jié)電流電壓方程的推導(dǎo)過程：結(jié)電流電壓方程的推導(dǎo)過程： 先求先求pp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度：處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度：p區(qū)的電子區(qū)

34、的電子擴(kuò)散區(qū)中載流子濃度與準(zhǔn)費米能級的關(guān)系為擴(kuò)散區(qū)中載流子濃度與準(zhǔn)費米能級的關(guān)系為: 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 其中其中:pp(-xp)為為p區(qū)多數(shù)載流子濃度，故區(qū)多數(shù)載流子濃度，故 在在p區(qū)邊界區(qū)邊界pp處，即處，即x=-xp處，處，EFn-EFp=qV，所以有，所以有 TkqVnxpxnipppp02exp2000,ipppppnnppxpTkqVnnDnp000exp而且而且TkqVqVnTkqVnxnDnppp0000expexp得到得到p區(qū)邊界區(qū)邊界pp處（處（x=-xp）

35、的少數(shù)載流子濃度為）的少數(shù)載流子濃度為 由此，注入由此，注入p區(qū)邊界區(qū)邊界pp處的非平衡載流子濃度為：處的非平衡載流子濃度為： 1exp000TkqVnnxnxnpppppp1exp000TkqVppxpxpnnnnnn 同理得同理得n區(qū)邊界區(qū)邊界nn（x=xn）處非平衡載流子濃度為：）處非平衡載流子濃度為： 可見，注入勢壘區(qū)邊界的非平衡少數(shù)載流子是外加電可見，注入勢壘區(qū)邊界的非平衡少數(shù)載流子是外加電壓的函數(shù)，壓的函數(shù)，這兩式就是解連續(xù)性方程的邊界條件這兩式就是解連續(xù)性方程的邊界條件。 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 解擴(kuò)散區(qū)內(nèi)非平衡載流子的連續(xù)性方程，得

36、到擴(kuò)解擴(kuò)散區(qū)內(nèi)非平衡載流子的連續(xù)性方程，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)；散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的濃度分布函數(shù)； 022pnnpnpnppdxdpdxpddxpdD022pnnppdxpdD 穩(wěn)態(tài)時，空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程為：穩(wěn)態(tài)時，空穴擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子的連續(xù)性方程為： 小注入時，空穴擴(kuò)散區(qū)中小注入時，空穴擴(kuò)散區(qū)中=0，故，故 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 式中式中 是空穴擴(kuò)散長度，是空穴擴(kuò)散長度，A、B是待定參數(shù)，是待定參數(shù)， 由邊界條件決定。由邊界條件決定。 方程的通解為：方程的通解為： pppDL ppnnnLxBLxApx

37、pxpexpexp01exp; 0時00TkqVpxpxxpxnnnnn時， 邊界條件：邊界條件： 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 得到：得到： pnnonnnLxxTkqVppxpxpexp1exp000exp1exp00BLxTkqVpApnn npppppLxxTkqVnnxnxnexp1exp000代入通解中得到空穴擴(kuò)散區(qū)非平衡載流子濃度為：代入通解中得到空穴擴(kuò)散區(qū)非平衡載流子濃度為：同理，電子擴(kuò)散區(qū)的非平衡少數(shù)載流子濃度分布為：同理，電子擴(kuò)散區(qū)的非平衡少數(shù)載流子濃度分布為： 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 勢

38、壘區(qū)邊界處少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流密度：勢壘區(qū)邊界處少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流密度： 1exp)(00TkqVLpqDdxxdpqDJpnpxxnpxxpnn擴(kuò) 1exp)(00TkqVLnqDdxxdnqDJnpnxxpnxxnpp擴(kuò) 在在x=xn處，空穴擴(kuò)散電流密度為：處，空穴擴(kuò)散電流密度為： 同理，在同理，在x=-xp處，電子擴(kuò)散電流密度為：處，電子擴(kuò)散電流密度為：7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 流過流過pn結(jié)總的電流密度：結(jié)總的電流密度：1exp)(1exp)()()(02000TkqVNLDNLDqnTkqVLpqDLnqDJJJDppAnnipnpnpn

39、xxpxxnDnp擴(kuò)擴(kuò) 只考慮擴(kuò)散電流時，理想只考慮擴(kuò)散電流時，理想pn結(jié)的總電流密度結(jié)的總電流密度JD為：為：1exp000TkqVJJLpqDLnqDJsDpnpnpns則令 理想理想pn結(jié)電流電壓方程式，又稱結(jié)電流電壓方程式，又稱肖克萊方程式。肖克萊方程式。7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 在實際在實際pn結(jié)中，往往一側(cè)的摻雜濃度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另結(jié)中，往往一側(cè)的摻雜濃度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另一側(cè)（如單邊突變結(jié)一側(cè)（如單邊突變結(jié)pn+），理想電流電壓方程式中），理想電流電壓方程式中往往只有其中的一項起作用。例如，若往往只有其中的一項起作用。例如，若NDNA，則，則電流

40、電壓方程可以近似表示為：電流電壓方程可以近似表示為：1exp1exp)(0202TkqVNLDqnTkqVNLDNLDqnJApniDppAnniD 由此可見，理想由此可見，理想pn結(jié)中的電流主要取決于低摻雜區(qū)的結(jié)中的電流主要取決于低摻雜區(qū)的少子擴(kuò)散電流。少子擴(kuò)散電流。 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 室溫下，一般外加正向偏壓約零點幾伏，所以：室溫下，一般外加正向偏壓約零點幾伏，所以： 此時電流電壓方程可表示為：此時電流電壓方程可表示為： 說明說明正向偏壓下正向電流密度與電壓正向偏壓下正向電流密度與電壓V呈指數(shù)關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系。 三、理想三、理想pn結(jié)電流電

41、壓特性討論：結(jié)電流電壓特性討論： 1exp0TkqVTkqVJJsD0exp1exp0TkqVJJsD pn結(jié)的整流效應(yīng)（單向?qū)щ娦裕┙Y(jié)的整流效應(yīng)（單向?qū)щ娦裕?在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)關(guān)在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。系迅速增大。 7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 此時電流電壓方程可表示為：此時電流電壓方程可表示為： 在反向偏壓下，反向電流密度為常量與電壓無關(guān)。在反向偏壓下，反向電流密度為常量與電壓無關(guān)。0exp0TkqV)()(2200DpipAninpnpnpnsNLnqDNLnqDLpqDLnqDJJ 反向偏

42、壓的反向偏壓的V0時，時， 式中的負(fù)號表示出電流密度方向與正向時相反，故稱式中的負(fù)號表示出電流密度方向與正向時相反，故稱-Js為反向飽和電流密度。為反向飽和電流密度。 理想理想pn結(jié)結(jié)J-V曲線可以看出，曲線可以看出，在在正向及反向偏壓下曲線是不對稱正向及反向偏壓下曲線是不對稱的，表現(xiàn)出的，表現(xiàn)出pn結(jié)的單向?qū)щ娦曰蚪Y(jié)的單向?qū)щ娦曰蚍Q為整流效應(yīng)稱為整流效應(yīng)。圖圖7.14 理想理想pn結(jié)的電結(jié)的電流電壓特性流電壓特性7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流電壓模型及方程 方程中的方程中的Js中的中的Dn、Ln、np

43、0等參數(shù)均與溫度等參數(shù)均與溫度T有關(guān)，設(shè)有關(guān)，設(shè)Dn/n與與T 成正比，成正比，為一常數(shù)，討論為一常數(shù)，討論Js中的任一項與溫中的任一項與溫度的關(guān)系（只考慮電子擴(kuò)散電流為例）：度的關(guān)系（只考慮電子擴(kuò)散電流為例）： 溫度對電流密度的影響溫度對電流密度的影響 TkETTkETTNnDqLnqDJggAinnnpns02303222/10expexp)(1exp)(000TkqVLpqDLnqDJpnpnpnD 式中式中T(3+/2)隨溫度變化緩慢，故起決定作用的是指數(shù)項隨溫度變化緩慢，故起決定作用的是指數(shù)項 因此，因此，Js隨溫度升高而迅速增大，即反向飽和電流密隨溫度升高而迅速增大，即反向飽和電流

44、密度隨溫度升高而迅速增大度隨溫度升高而迅速增大。并且。并且Eg越大的半導(dǎo)體，越大的半導(dǎo)體，Js的變化越快。的變化越快。 由于禁帶寬度也是溫度的函數(shù)，由于禁帶寬度也是溫度的函數(shù)，Eg=Eg(0)+T，設(shè)：，設(shè)：Eg(0)=qVg0 為絕對零度時的禁帶寬度，為絕對零度時的禁帶寬度，Vg0為絕對零為絕對零度時導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶睿瑒t度時導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?，則加正向偏壓加正向偏壓VF時，時，正向電流密度與溫度關(guān)系為：正向電流密度與溫度關(guān)系為： 所以所以正向電流密度隨溫度上升而增加正向電流密度隨溫度上升而增加。 TkVVqTJgF0023exp7.2.2 理想理想pn結(jié)的電流電壓模型及方程結(jié)的電流

45、電壓模型及方程7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 實驗表明，理想的電流電壓特性和小注入下鍺實驗表明，理想的電流電壓特性和小注入下鍺pn結(jié)符合較好，但與硅結(jié)符合較好，但與硅pn結(jié)的實驗結(jié)果偏離較大，如下結(jié)的實驗結(jié)果偏離較大，如下圖所示圖所示: 正向電流較小時，理論計算正向電流較小時，理論計算值比實際值小，如值比實際值小，如a段所示段所示;實際正向?qū)嶋H正向?qū)嶋H反向?qū)嶋H反向abcd 正向電流較大時，實際曲線正向電流較大時，實際曲線的的c段曲線有變化；段曲線有變化；1exp0TkqVJJsD圖圖7.15 實際硅實際硅pn結(jié)的電流電結(jié)的電流電壓特性壓特性 在曲線在曲線d段，段，J-

46、V關(guān)系不是指關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系而是接近線性關(guān)系數(shù)關(guān)系而是接近線性關(guān)系; 在反向偏壓時，實際反向電在反向偏壓時，實際反向電流比理論大得多，而且反向流比理論大得多，而且反向電流不飽和，隨反向偏壓增電流不飽和，隨反向偏壓增大略有增加；大略有增加； 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時結(jié)加反向偏壓時，勢壘區(qū)內(nèi)建電場加強(qiáng)，由勢壘區(qū)內(nèi)建電場加強(qiáng)，由于熱激發(fā)作用在勢壘區(qū)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴于熱激發(fā)作用在勢壘區(qū)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場驅(qū)走了，即勢壘區(qū)中產(chǎn)生率對來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場驅(qū)走了，即勢壘區(qū)中產(chǎn)生率大于復(fù)合率，從而形成另一部分反向電流，稱為勢壘大于復(fù)合率，從而形成另一部分反向電流，稱為勢壘區(qū)

47、的產(chǎn)生電流，可用區(qū)的產(chǎn)生電流，可用JG表示。表示。 影響影響pn結(jié)電流電壓特性的因素結(jié)電流電壓特性的因素: 勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流影響反向特性的因素影響反向特性的因素 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)處于熱平衡時（無偏壓），勢壘區(qū)內(nèi)通過結(jié)處于熱平衡時（無偏壓），勢壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率。復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率。 此時流過此時流過pn結(jié)的總電流為：結(jié)的總電流為： GSJJJ7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 若若pn結(jié)勢壘區(qū)寬度為結(jié)勢壘區(qū)寬度為xD，本征載流子濃度為，本征載流子濃度為ni，則：，則： 2DiGxqnJ2DiSGSxqnJJJJ 對于禁帶寬度

48、大的硅材料，室溫下反向擴(kuò)散電對于禁帶寬度大的硅材料，室溫下反向擴(kuò)散電流密度流密度JS比勢壘區(qū)產(chǎn)生電流密度比勢壘區(qū)產(chǎn)生電流密度JG小得多，所以在小得多，所以在反向電流中勢壘區(qū)產(chǎn)生電流反向電流中勢壘區(qū)產(chǎn)生電流JG占主要地位，實際反占主要地位，實際反向電流比理論值要大；當(dāng)反向偏壓增大時，由于勢向電流比理論值要大；當(dāng)反向偏壓增大時，由于勢壘寬度壘寬度xD的增加，導(dǎo)致反向電流不飽和，隨反向偏的增加，導(dǎo)致反向電流不飽和，隨反向偏壓增大而增加。壓增大而增加。 7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 勢壘區(qū)的復(fù)合電流勢壘區(qū)的復(fù)合電流影響正向特性的因素影響正向特性的因素TkqVXqnJDir0

49、2exp2 在正向偏壓下，從在正向偏壓下，從n區(qū)注入?yún)^(qū)注入p區(qū)的電子和從區(qū)的電子和從p區(qū)注區(qū)注入入n區(qū)的空穴在勢壘區(qū)復(fù)合了一部分，構(gòu)成另一股正區(qū)的空穴在勢壘區(qū)復(fù)合了一部分，構(gòu)成另一股正向電流，稱為勢壘區(qū)復(fù)合電流，其電流密度可用向電流，稱為勢壘區(qū)復(fù)合電流，其電流密度可用Jr表示。表示。 設(shè)復(fù)合中心與本征費米能級重合，令設(shè)復(fù)合中心與本征費米能級重合，令cn=cp=c，則則n0= p0= ，當(dāng)正向電壓使，當(dāng)正向電壓使qVk0T時，勢壘區(qū)復(fù)時，勢壘區(qū)復(fù)合電流密度合電流密度Jr為：為： 7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 總的正向電流密度總的正向電流密度JF應(yīng)為擴(kuò)散電流密度應(yīng)為擴(kuò)散

50、電流密度JFD與勢壘區(qū)與勢壘區(qū)復(fù)合電流密度復(fù)合電流密度Jr之和之和，以，以p+n結(jié)為例，在結(jié)為例，在qVk0T時：時： TkqVXTkqVNnDqnJJJpDDippirFDF002exp2expTmkqVJF0exp 討論：討論： 正向電流由兩部分組成，其中擴(kuò)散電流正向電流由兩部分組成，其中擴(kuò)散電流JFD的特點的特點是與是與exp(qV/k0T)成正比，復(fù)合電流成正比，復(fù)合電流Jr則與則與exp(qV/2k0T) 成正比，可用經(jīng)驗公式表示為：成正比，可用經(jīng)驗公式表示為： m介于介于12之間之間7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 擴(kuò)散電流與復(fù)合電流之比為：擴(kuò)散電流與復(fù)合電

51、流之比為： TkqVXNLnJJDDpirFD02exp2 可見，可見，JFD/Jr和和ni及外加電壓有關(guān)。及外加電壓有關(guān)。 當(dāng)當(dāng)V較小較小時，時，exp(qV/2k0T)迅速減小，對硅而言，室迅速減小，對硅而言，室溫下溫下ND遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于ni，所以在低正向電壓下，所以在低正向電壓下，JrJFD即即復(fù)復(fù)合電流合電流Jr占主導(dǎo)地位，占主導(dǎo)地位，m=2，這就是曲線，這就是曲線a段；段； 當(dāng)當(dāng)V較大時，較大時，exp(qV/2k0T) 迅速增大，使迅速增大，使JFDJr，擴(kuò)擴(kuò)散電流散電流JD占主導(dǎo)地位，占主導(dǎo)地位，m=1，這就是圖中，這就是圖中b段。段。 7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏

52、安特性的因素 大注入情況大注入情況影響正向特性的因素影響正向特性的因素 當(dāng)正向偏壓較大時，注入擴(kuò)散區(qū)的非平衡少子當(dāng)正向偏壓較大時，注入擴(kuò)散區(qū)的非平衡少子濃度接近或超過該區(qū)多子濃度的情況，稱為大注入濃度接近或超過該區(qū)多子濃度的情況，稱為大注入情況。情況。大注入情況下，大量注入的少子就會在少子大注入情況下，大量注入的少子就會在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)建立電場，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)會存在漂移電流。擴(kuò)散區(qū)內(nèi)建立電場，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)會存在漂移電流。 以以p+n結(jié)為例：該結(jié)的正向結(jié)為例：該結(jié)的正向電流主要是從電流主要是從p 區(qū)注入?yún)^(qū)注入n區(qū)區(qū)的空穴擴(kuò)散電流，所以只討的空穴擴(kuò)散電流，所以只討論空穴擴(kuò)散區(qū)的情況。大注論空穴擴(kuò)散區(qū)的情況。大

53、注入情況下，注入的空穴產(chǎn)生入情況下，注入的空穴產(chǎn)生空穴擴(kuò)散區(qū)分壓空穴擴(kuò)散區(qū)分壓Vp，即總，即總電壓電壓V：圖圖7.16 p+n的大注入情況的大注入情況pJVVV7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 在大電流時還要考慮中性區(qū)在大電流時還要考慮中性區(qū)體電阻的分壓作用體電阻的分壓作用，總電壓總電壓 ，落在，落在pn結(jié)勢壘區(qū)上的壓降結(jié)勢壘區(qū)上的壓降VJ就更小，就更小，正向電流增加緩慢正向電流增加緩慢，就是曲線中的，就是曲線中的d段。段。 此時，此時，p+n結(jié)的電流電壓關(guān)系改變?yōu)椋航Y(jié)的電流電壓關(guān)系改變?yōu)椋?RpJVVVVTkqVLnDqJpipF02exp)2( 它的它的特點是特點是

54、JFexpqV/2k0T，正確地表示了實際電，正確地表示了實際電流電壓特性曲線中的流電壓特性曲線中的c段，這是一部分正向電壓降落段，這是一部分正向電壓降落在空穴擴(kuò)散區(qū)的結(jié)果。在空穴擴(kuò)散區(qū)的結(jié)果。 串聯(lián)電阻效應(yīng)串聯(lián)電阻效應(yīng)影響正向特性的因素影響正向特性的因素7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素 正向偏壓下，電流電壓關(guān)系為正向偏壓下，電流電壓關(guān)系為 ， 其中其中m隨外加偏壓在隨外加偏壓在12之間變化。在很低的正偏之間變化。在很低的正偏壓下，壓下，m=2，勢壘區(qū)的復(fù)合電流起主要作用，表現(xiàn)，勢壘區(qū)的復(fù)合電流起主要作用，表現(xiàn)為為a段；正向偏壓較大時，段；正向偏壓較大時，m=1，擴(kuò)散電

55、流起主要作，擴(kuò)散電流起主要作用，為曲線用，為曲線b段；大注入時，擴(kuò)散區(qū)對總電壓分壓，段；大注入時，擴(kuò)散區(qū)對總電壓分壓，m=2，為曲線，為曲線c段；在大電流時，考慮體電阻的串聯(lián)段；在大電流時，考慮體電阻的串聯(lián)分壓作用，正向電流增加更加緩慢，表現(xiàn)為分壓作用，正向電流增加更加緩慢，表現(xiàn)為d段。段。 TmkqVJF0exp綜上所述：綜上所述： 反向偏壓時，計入勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流反向偏壓時，計入勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流 ，使實際，使實際反向電流比理想時值大且不飽和。反向電流比理想時值大且不飽和。 7.2.3 影響影響pn結(jié)伏安特性的因素結(jié)伏安特性的因素7.3 pn結(jié)電容結(jié)電容 pn結(jié)電容包括勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部

56、分。結(jié)電容包括勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。7.3.1 勢壘電容與擴(kuò)散電容勢壘電容與擴(kuò)散電容 勢壘電容勢壘電容CT 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)加正向偏壓時，勢壘區(qū)寬度變窄，空間結(jié)加正向偏壓時，勢壘區(qū)寬度變窄，空間電荷減少；反向偏壓時勢壘區(qū)變寬，空間電荷增多電荷減少；反向偏壓時勢壘區(qū)變寬，空間電荷增多。pn結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的壘區(qū)的“存入存入”和和“取出取出”，導(dǎo)致，導(dǎo)致空間電荷區(qū)的電空間電荷區(qū)的電離施主和電離受主的電荷量隨外加電壓而變化離施主和電離受主的電荷量隨外加電壓而變化，這，這和一個電容器的充放電作用相似，和一個電容器的充放電作用相似，這種這

57、種pn結(jié)電容效結(jié)電容效應(yīng)稱為勢壘電容，以應(yīng)稱為勢壘電容，以CT表示。表示。 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD 當(dāng)外加電壓變化時，電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平當(dāng)外加電壓變化時，電子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也要變化，空穴擴(kuò)衡電子和與它保持電中性的空穴也要變化，空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴和與它保持電中性的電子散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴和與它保持電中性的電子也會變化，這種由于也會變化，這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為pn結(jié)擴(kuò)散電容，用結(jié)擴(kuò)散電容，用CD表示。表示。 pn結(jié)的結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變勢壘電

58、容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，為可變電容，定義微分電容的概念來表示?；?，為可變電容，定義微分電容的概念來表示。 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)在一個固定直流偏壓結(jié)在一個固定直流偏壓V的作用的作用下，疊加一個微小的交流電壓下，疊加一個微小的交流電壓dV時，這個時，這個微小的電壓變化微小的電壓變化dV所引起的電荷變化所引起的電荷變化dQ，稱為這個直流偏壓下的微分電容，即：，稱為這個直流偏壓下的微分電容，即：dVdQC 7.3.1 勢壘電容與擴(kuò)散電容勢壘電容與擴(kuò)散電容7.3.2 突變結(jié)的勢壘電容突變結(jié)的勢壘電容 耗盡層近似下突變結(jié)勢壘區(qū)中的電場、電勢分布耗盡層近似下突變結(jié)勢壘區(qū)中的電場、電勢分布nrDprAxxqNd

59、xxVdxxqNdxxVd0,)(0,)(02220212（電荷面密度）QxqNxqNnDpA圖圖7.17 突變結(jié)雜質(zhì)分布突變結(jié)雜質(zhì)分布耗盡層近似耗盡層近似下，突變結(jié)勢壘區(qū)電下，突變結(jié)勢壘區(qū)電荷密度為：荷密度為：型區(qū)型區(qū)pqNnqNAD勢壘區(qū)保持電中性要求：勢壘區(qū)保持電中性要求：勢壘區(qū)中各點電勢由以下泊松方程決定：勢壘區(qū)中各點電勢由以下泊松方程決定： 對上式進(jìn)行一次積分，且勢壘區(qū)邊界處電場強(qiáng)度為零對上式進(jìn)行一次積分，且勢壘區(qū)邊界處電場強(qiáng)度為零，則勢壘區(qū)的電場為：，則勢壘區(qū)的電場為： )0( ,)()0( ,)(022011nrnDprpAxxxxqNdxxdVxxxxxqNdxxdVx 在平衡

60、突變結(jié)勢壘區(qū)中，內(nèi)在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，內(nèi)電場強(qiáng)度呈線性分布電場強(qiáng)度呈線性分布，電場，電場方向由方向由n指向指向p，電場強(qiáng)度在電場強(qiáng)度在x=0處有最大值。處有最大值。圖圖7.18 突變結(jié)勢壘電場分布突變結(jié)勢壘電場分布7.3.2 突變結(jié)的勢壘電容突變結(jié)的勢壘電容000rrnDrpAmQxqNxqN )0( ,2)0( ,20022200221nrnDrnDDprpArpAxxxxqNxxqNVxVxxxxqNxxqNxV 最大電場強(qiáng)度可以表示為：最大電場強(qiáng)度可以表示為： 對電場對電場(x)再次積分得到突變結(jié)勢壘區(qū)中的電勢為：再次積分得到突變結(jié)勢壘區(qū)中的電勢為：圖圖7.19 突變結(jié)勢壘電勢分布突變