雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 §76PN结 PN结的构成:半导体材料的一部分是N型半导体材料,一部分是P型半导体材料型。 N结的性质:单向导电性。电流随电压变化的特性如图XCH007012所示。 反向区 正向区 nP n P XCHo070120 1.平衡PN结势垒 电子浓度:n=Ne 空穴浓度:P=N,e 掺杂的N半导体材料,在杂质激发的载流子范围, XCHo0701301 电子的浓度远远大于空穴的浓度,因此费密能级 在带隙的上半部,接近导带。而在P型半导体材 料中,费密能级在带隙的下半部,接近价带。 P N 在半导体中,由N型和P型材料分别形成两个区, 通常称为N区和P区。由于N区和P区的费密能 级不相等,在两区的接触面,即PN结处产生电Xc10010 荷的积累,稳定后形成一定的电势差。如图 E E XCH007013所示 (EFp (EFN E aaanesadnaai E e0。 P区相对于N区具有电势差-VD--P区电子的 能量向上移动:qVD 一怡好抵消原来P区和N区电子费密能级的差 °pN 满足:qVD=(E)x-(Ep) 由于半导体中载流子浓度远远低于金属,因此PN结处形成的电荷空间分布区域约在微米数量级。 REVISED TIME: 0S-5-26 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 §7.6 PN 结 PN 结的构成：半导体材料的一部分是 N 型半导体材料，一部分是 P 型半导体材料型。 PN 结的性质：单向导电性。电流随电压变化的特性如图 XCH007_012 所示。 1. 平衡 PN 结势垒 电子浓度： k T E E B F n N e − − − − = ； 空穴浓度： k T E E B F p N e − + − = + 掺杂的 N 半导体材料，在杂质激发的载流子范围， 电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此费密能级 在带隙的上半部，接近导带。而在 P 型半导体材 料中，费密能级在带隙的下半部，接近价带。 在半导体中，由 N 型和 P 型材料分别形成两个区， 通常称为 N 区和 P 区。由于 N 区和 P 区的费密能 级不相等，在两区的接触面，即 结处产生电 荷的积累，稳定后形成一定的电势差。如图 XCH007_013 所示。 PN P 区相对于 N 区具有电势差 ——P 区电子的 能量向上移动： −VD D qV —— 恰好抵消原来P区和N区电子费密能级的差 别 满足： qVD EF N EF P = ( ) − ( ) 由于半导体中载流子浓度远远低于金属，因此 PN 结处形成的电荷空间分布区域约在微米数量级。 REVISED TIME: 05-5-26 - 1 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 PN结势垒作用 正负载流子在PN结处聚集,在PN结内部形成电场-一自建场。这个电场对于N区的电子和P区 的空穴是一个势垒。 势垒的作用一方面阻止N区大浓度的电子向P区扩散,另一方面也阻止P区大浓度的空穴向N区扩 散。平衡PN结中是载流子的扩散和漂移运动的相对平衡 由于扩散和漂移形成平衡电荷分布,满足玻耳玆曼统计规律,N区和P区热平衡下电子浓度分别为 n=n e =N 两式相比."P_。-qD体,HP=n.C、q2/kr N区和P区热平衡下空穴浓度之比 =e -q p/kgT 2.PN结的正向注入 当PN结加有正向偏压一—P区为正电压,如图XCH00701401~02所示。外电场与自建场方向相 反,外电场减弱PN结区的电场,使原有的载流子平衡受到破坏。这种情况下,势垒降低,电子从 N区扩散到P区,空穴从P区扩散到N区,形成比较显著的正向电流,称为非平衡载流子一一称为 PN结的正向注入。 XCH00701401 XCH00701402 N区 P-+ N (D-v) E ···●c 区 PN 电流密度的计算 由于正向注入,P区边界电子的浓度变为n REVISED TIME: 0S-5-26 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 PN 结势垒作用 正负载流子在 结处聚集，在 结内部形成电场——自建场。这个电场对于 N 区的电子和 P 区 的空穴是一个势垒。 PN PN 势垒的作用一方面阻止 N 区大浓度的电子向 P 区扩散，另一方面也阻止 P 区大浓度的空穴向 N 区扩 散。平衡 PN 结中是载流子的扩散和漂移运动的相对平衡。 由于扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计规律，N 区和 P 区热平衡下电子浓度分别为： k T E E N B F n N e − − − − = 0 ， k T E qV E P B D F n N e + − − − − = ( ) 0 两式相比： qV k T N P D B e n n / 0 0 − = ， qV k T P N D B n n e 0 0 − / = N 区和 P 区热平衡下空穴浓度之比： qV k T P N D B e p p / 0 0 − = 2. PN 结的正向注入 当 结加有正向偏压—— P 区为正电压，如图 XCH007_014_01~02 所示。外电场与自建场方向相 反，外电场减弱 结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏。这种情况下，势垒降低，电子从 N 区扩散到 P 区，空穴从 P 区扩散到 N 区，形成比较显著的正向电流，称为非平衡载流子——称为 结的正向注入。 PN PN PN 电流密度的计算 由于正向注入，P 区边界电子的浓度变为 P n REVISED TIME: 05-5-26 - 2 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 nn=ne eo0)和n=ne-0k比较 np=neq--外加电场使边界处电子的浓度提高er倍 边界处非平衡载流子浓度:np-n=np(e-1) 正向注入是电子在P区边界积累,同时向P区扩散,是非平衡载流子边扩散、边复合形成电流。 XCH0070140 E q △ nole NPN(egl E 图XCH00701406所示 应用非平衡载流子流密度-D=,=N 边界处x=0,N0=np(eqkn-1) 电子扩散流密度:mB(e-1)n-- d and L分别是电子的扩散系数和扩散长度。 注入到P区的电子电流密度:=-qm(e-1D 在N区边界空穴积累,同时向N区扩散,也是非平衡载流子边扩散、边复合形成电流。 注入到N区的空穴电流密度:j=-qp)(e-1) PN结总的电流密度:j=jn+n=-j0(e-1)一一肖克莱方程( W. Shockley) REVISED TIME: 0S-5-26 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 q V V k T P N D B n n e 0 − ( − )/ = 和 比较 qV k T P N D B n n e 0 0 − / = qV k T P P B n n e 0 / = ——外加电场使边界处电子的浓度提高 倍。 qV kBT e / 边界处非平衡载流子浓度： ( 1) 0 0 / − = − qV k T P P P B n n n e 正向注入是电子在 P 区边界积累，同时向 P 区扩散，是非平衡载流子边扩散、边复合形成电流。 —— 如图 XCH007_014_06 所示 应用非平衡载流子流密度 x L e L D N dx dN D / 0 − − = 边界处 x = 0 ， ( 1) 0 / 0 = − qV k T P B N n e 电子扩散流密度： n qV k T n P L D n e B ( 1) 0 / − —— Dn and Ln 分别是电子的扩散系数和扩散长度。 注入到 P 区的电子电流密度： 0 / ( 1) B qV k T n n P n D j qn e L = − − 在 N 区边界空穴积累，同时向 N 区扩散，也是非平衡载流子边扩散、边复合形成电流。 注入到 N 区的空穴电流密度： 0 / ( 1) B qV k T p p N p D j qp e L = − − PN 结总的电流密度： ( 1) ——肖克莱方程（W. Shockley） / = + = − 0 − qV k T n p B j j j j e REVISED TIME: 05-5-26 - 3 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 =q(n2+-p) 1)从j=n+jn=-J6(e-1)可以看到,当正向电压增加时,电流增加很快 2)由j=q(mn+2p9)看出,通过PN结的电流与N区少子p、P区少子n成正比,如 果N区掺杂浓度远大于P区掺杂浓度,则有:n>p,PN结电流中将以电子电流为主。 3.PN结的反向抽取 当PN结加有反向偏压一一P区为负电压,外电场与自建场方向相同,势垒增高,载流子的漂移运 动超过扩散运动一—只有N区的空穴和P区的电子才能在结区电场的作用下漂移过PN结。如图 E XCH00701403 N区 P+N E P区 XCH00701404 XCH00701403~04所示 N区中的空穴一到达边界即被拉到P区,同理P区中的电子一到达边界即被拉到N区 XCH00701405 E △n 十 E PN结反向抽取作用,如图XCH00701405所示。 REVISED TIME: 0S-5-26 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 —— ( ) 0 0 0 N p p P n n p L D n L D j = q + 1） 从 ( 1) 可以看到，当正向电压增加时，电流增加很快； / = + = − 0 − qV k T n p B j j j j e 2） 由 ( ) 0 0 0 N p p P n n p L D n L D j = q + 看出，通过 结的电流与 N 区少子 、P 区少子 成正比，如 果 N 区掺杂浓度远大于 P 区掺杂浓度，则有： ，PN 结电流中将以电子电流为主。 PN 0 pN 0 nP 0 0 nP >> pN 3. PN 结的反向抽取 当 结加有反向偏压—— P 区为负电压，外电场与自建场方向相同，势垒增高，载流子的漂移运 动超过扩散运动——只有 N 区的空穴和 P 区的电子才能在结区电场的作用下漂移过 结。如图 XCH007_014_03~04 所示。 PN PN N 区中的空穴一到达边界即被拉到 P 区，同理 P 区中的电子一到达边界即被拉到 N 区 —— PN 结反向抽取作用，如图 XCH007_014_05 所示。 REVISED TIME: 05-5-26 - 4 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 PN加有方向电压=- 势垒变为q(D+V) P区边界电子的浓度:n1=new,npew→0—一反向抽取使边界少子的浓度减小 反向电流:j=q(m2+p)(1-e 因为一般情况下:V>k,=1=9D2n+Dp)-一反向饱和电流 D 扩散速度 o=("Ln+2L)--々 PN 分别是P区和N区少数载流子的产生率 P区少数载流子一一电子的产生率 N区少数载流子一一空穴的产生率:=-PN 反向饱和电流:A=2L2+ELn) 可以看作是厚度为扩散长度的一层内,总的少数载流子产生率乘以电子电荷q,所以反向电流 就是由在PN结附近所产生而又有机会扩散到空间电荷区边界的少数载流子形成的 REVISED TIME: 0S-5-26 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 PN 加有方向电压V = −Vr 势垒变为 ( ) VD Vr q + P 区边界电子的浓度： , —— 反向抽取使边界少子的浓度减小， qV k T P P r B n n e 0 − / = 0 nP 0 e−qVr / kBT ⇒ 反向电流： 0 0 / ( )(1 r B n p qV k T P N n p D D j q n p e L L − = + − ) 因为一般情况下： q k T V B r >> ， ( ) 0 0 0 N p p P n n p L D n L D j = j = q + —— 反向饱和电流 扩散速度： p p p p n n n n L L L D L D τ τ = , = ( ) 0 0 0 p p N n n P L p L n j q τ τ = + —— p N n P n p τ τ 0 0 , 分别是 P 区和 N 区少数载流子的产生率 P 区少数载流子—— 电子的产生率： n P n n n τ τ ∆ 0 = − N 区少数载流子—— 空穴的产生率： p N p p p τ τ ∆ 0 = − 反向饱和电流： 0 0 0 ( ) P N n p n p n p j q L L τ τ = + —— 可以看作是厚度为扩散长度的一层内，总的少数载流子产生率乘以电子电荷 q，所以反向电流 就是由在 PN 结附近所产生而又有机会扩散到空间电荷区边界的少数载流子形成的。 REVISED TIME: 05-5-26 - 5 - CREATED BY XCH