第二章 PN结机理与特性,2.1 平衡PN结的机理与特性2.1.1 PN结的制备与杂质分布,在N型(或P型)半导体单晶片衬底上，分别采用不同的掺杂方法，使原来半导体的一部分变成P型，（或N型），那么在P型半导体与N型半导体的交界面处就形成了PN结，如图,合金法及其杂质分布 合金法制备PN结的基本过程如图所示,扩散法及其杂质分布 用扩散法制备PN结的基本过程如图,扩散结的形成过程 a）氧化 b）光刻 c）P型杂质的扩散 d）,离子注入法及杂质分布,扩展结的杂质分布 a）恒定源杂质的分布 b）限定源杂质的分布 c）线性源变节近似,离子注入PN结及其杂质分布,外延生长法,2.1.2 平衡PN结形成与能带,1 平衡PN结形成,平衡PN结空间电荷区的形成 a） P区与N区载流子扩散 b）PN结空间电荷区,平衡PN结表现出来的3个主要特征： 1. 通过平衡PN结的静电流为零； 2.在空间电荷区，两侧正负空间电荷数量相等； 3.空间电荷区以外的N型区和P型区仍是电中性的。,2 平衡PN结的能带图,平衡PN结的能带图 a） N型、P型半导体的能带 b）平衡PN结的能带,平衡PN结费米能级时处处相等的,2.1.3 平衡PN结的接触电势差,由于平衡PN结空间电荷区内存在自建电场，使得N区和P区之间存在电势差，把这个电势差称为PN结的接触电势差，用UD表示。,2.1.4 平衡PN结的载流子浓度分布,平衡PN结的载流子浓度分布如图。在空间电荷区靠P边界XP处，电子浓度等于P区的平衡少子浓度nP0，而空穴浓度等于P区的平衡多子浓度PP0；在空间电荷区靠N边界XN处，空穴浓度等于N区的平衡少子浓度PN0，而电子浓度等于N区的平衡多子浓度nN0；在空间电荷区之内，空穴浓度从XP处的pP0减小到XN处的pN0，电子浓度从XN处的nN0减小到XP处的nP0。,平衡PN结载流子浓度分布 a） U（x）分布 b）能带 c）载流子浓度分布,2.2 正向PN结机理与特性2.2.1 正向偏置与正向注入效应,正向偏置时PN结势垒变化及其能带图,2.2.2 正向PN结边界少子浓度和少子浓度分布,正向PN结少子浓度分布示意图,1.边界少子浓度,边界少子浓度是指在空间电荷区靠N区边界XN处的空穴浓度p（XN）和靠近P区边界XP处的电子浓度n（XP）。,正向PN结少子浓度分布示意图,正向PN结的少子分布及其准费米能级,靠近P区边界Xp处的电子浓度n(Xp)为,靠近N区边界XN处的空穴浓度p(XN)为,2.2.3 正向PN结电流-电压方程式,正向PN结电流的转换与传输示意图,PN结正向电流方程式:,在常温下可以近似为:,正向PN结的电流-电压关系曲线,PN结正向电流的讨论,1. PN结两边杂质浓度与正向电流的关系,P+N结的正向电流公式简化为:,PN+结的正向电流公式简化为:,高阻区杂质浓度对PN结正向电流的影响,2. 扩散长度与正向电流的关系,对于WL情况，P+N结的正向电流,PN+结的正向电流,扩散长度LW的示意图,3. 半导体禁带宽度对正向电流的影响 禁带宽度愈小，n2i 愈大,禁带宽度对正向电流的影响,4. 正向电流的温度效应 5. PN结的导通电压和正向压降,2.2.5 PN结的大注入效应,可以证明，特大注入时，通过PN+结的电流密度方程式为,NP+结大注入时的载流子分布,2.2.6 正向PN结空间电荷区复合电流,空间电荷区内复合电流示意图,当考虑了空间电荷区的复合电流Jr后，PN结正向总电流密度,J总=J扩+J复合=,2.3 反向PN结的机理与特性2.3.1 反向偏置与反向抽取作用,PN结的反置是指P区接电流源负极，N区接电源正极。 PN结的反向抽取作用是指反向结空间电荷区具有的抽取(或收集)少子的重要作用。,2.3.2 反向PN结边界少子浓度和少子浓度分布,反向PN结边界少子浓度 所谓边界少子浓度是指在空间电荷区N区边界XN处的空穴浓度p（XN）和靠近P区边界Xp处的电子浓度n（ Xp ）。,反向PN结的准费米能级示意图,反向PN结少子浓度分布,反向PN结P区少子电子浓度分布,反向PN结N区少子电子浓度分布,2.3.3 反向PN结电流-电压方程式,1. 反向PN结载流子传输与电流转换,反向PN结载流子的传输与电流传输示意图,2. 反向PN结电流,利用正向PN结求扩散电流的方法，可求出PN结的反向电流为：,2.3.4 反向PN结空间电荷区的产生电流,反向PN结空间电荷区产生电流形成示意图,当考虑了空间电荷区的产生电流后，PN结的反向电流表达式为,2.3.5 PN结表面漏电流,考虑了表面漏电流之后，实际PN结的反向电流应包括体内扩展电流JRD，空间电荷区产生电流Jg和反向表面漏电流JRS，应等于三项之和 JR=JRD+ Jg+ JRS 表面漏电流主要由以下集中情况引起的: 1. 表面空间电荷区与表面反型沟道 2. 表面沾污引起表面漏导电流 3.其他因素引起表面漏电,4.反向电流随温度的变化,表面电荷引起的表面空间电荷层与反型沟道 a) 表面空间电荷层 b) 表面反型沟道,表面漏导电流,2.3.6 PN结的伏安特性,将正向和反向PN结电流-电压公式结合起来便形成PN结的伏安特性,PN结的伏安特性曲线,2.4 PN结空间电荷区的电场、点位分布和宽度,2.4.1 空间结空间电荷区的电场、点位分布和宽度,突变结空间电荷区的电场分布 电场强度最大值EM为：,电荷、电场和点位分布 a） 杂质 b） 电荷 c） 电场 d） 点位,突变结空间电荷的电位分布,突变结空间电荷区的宽度,2.4.2 线性缓变空间电荷区的电场、点位和宽度,线性缓变结的电场分布E（x）、最大电场强度Em、点位分布U（x）和空间电荷区宽度Xm分别为,线性缓变杂质分布示意图,线性缓变结中的电荷电场、点位分布 a) 电荷 b)电场 c)点位,2.5 PN结击穿机理与击穿特性2.5.1 PN结击穿机理,热电击穿 PN结加偏压增加，温度上升，反向电流增大，两者循环下去，最终导致反向电流无限增大而发生击穿。,PN结的击穿现象,隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应使大量电子从价带穿过禁带，而进入到导带所引起的一种击穿现象。又称齐纳击穿。,PN结隧道击穿示意图,雪崩击穿,雪崩击穿示意图,2.5.2 PN结雪崩击穿电压,雪崩击穿条件,单边突变结的雪崩击穿电压,线性缓变结的雪崩击穿电压,2.5.3 影响雪崩击穿电压的主要因素,杂质浓度对击穿电压的影响。 外延层厚度对击穿电压的影响。 PN结形状对雪崩击穿电压的影响。,2.5.4 几种不正常的击穿曲线,软击穿 低击穿 管道型击穿 靠背椅击穿,几种不正常的击穿曲线,2.6 PN结的电容特性2.6.1 PN结的势垒电容,PN结为什么会具有电容效应,PN结的势垒电容 a） 势垒电容充电过程 b）势垒电容放电过程,突变结势垒电容 表达式为,硅突变结CT、Xm与（UD-U）/N0的关系曲线,线性缓变结势垒电容 单边突变结和线性缓变结的势垒电容分别为：,实际扩散结势垒电容 通常用查表法求。,2.6.2 PN结的扩散电容,由电荷在扩散区存储所形成的电容称扩散电容，用CD表示，反应了积累在扩散区中的非平衡载流子电荷随电压的变化规律。,2.7 晶体二极管特性与设计考虑2.7.1 晶体二极管的基本结构,晶体二极管是由一个PN结、制备上相应的电极引线和管壳封装而成的。由P区引出的电极引线为正极，由N区引出的电极为负极。,晶体二极管的几种外形,晶体二极管的基本结构与符号 a） 点接触型 b） 面接触型 c） 平面型 d）二极管的符号,2.7.2 晶体二极管的伏安特性与主要参数,二极管的伏安特性 二极管的伏安特性就是指流过二极管中的电流I与其端电压U之间的关系曲线,二极管的伏安特性曲线,温度对二极管伏安特性的影响,二极管的主要参数,最大整流电流ICM 最高反向工作电压URM 反向电流IR 最高工作频率fM 最大耗散功率PCM,2.7.3 几种特殊二极管,稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制成的硅材料面接触型晶体二极管，它在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路中。 稳压二极管的伏安特性,稳压二极管的伏安特性与符号 a）伏安特性 b）符号,稳压二极管的主要参数 稳压电压UZ 稳压电流IZ 额定功耗PZM 动态电阻rZ 温度系数,肖特基二极管 肖特基二极管是由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面紧密接触的点接触型二极管，在高速集成电路、微波技术等许多领域中有广泛的应用。,肖特基二极管的伏安特性、结构与符号 a） 伏安特性 b）结构 c）符号,开关二极管 二极管从截止到正向偏压后的导通需要一段时间，称为正向恢复时间。二极管从导通转为截止需要一段时间，称为截止时间。这两个时间的和称为开光时间，开关时间愈短愈好。正向恢复时间一般比反向恢复时间短得多。提高开关速度的途径有：减小正向导通时非平衡载流子的存储量Q；加速存储电荷量Q消失的过程。,发光二极管 简写为LED，是一种将电信号转换成光信号的特殊二极管。,发光二极管的一般结构、管芯、外型和符号 a）磷砷镓发光二极管的管芯 b）封装结构 c）符号,光敏二极管 光敏二极管是一种光能与电能进行转换的器件。PN结型光敏二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到光的变化转换成电流的变化。,光敏二极管的外形和符号 a）常见外行 b）符号,光敏二极管的伏安特性 a） 伏安特性 b）工作在第一象限的等效电路 c）工作在第三象限的等效电路 d）工作在第四象限的等效电路,变容二极管 变容二极管利用了PN结势垒电容可以利用改变反向电压即可改变电容大小的原理。,变容二极管 a）符号 b）结电容与电压的关系,2.7.4 半导体二极管设计考虑与制备范例,参数分析 最大整流电流 最高工作电压 设计考虑 采用N+-P-P+的结构 深扩散缓变结 采用圆锥状台面结构 塑料封装 设计计算 确定高阻层杂质浓度和厚度 确定衬底材料寿命 确定PN结面积 确定扩散深度和表面浓度,1A/2000V 高压整流管的工艺流程,