空间电荷区以外的P区和N区仍处于热平衡状态且保持电中性 内建电场是由扩散运动产生,却反过来阻碍扩散运动,另一方面又促进N 区少子空穴向P区漂移以及P区少子自由电子向N区漂移,内建电场E最初较 弱,扩散是主要的,随着E的加强,漂移运动加强,最终漂移运动与扩散 运动达到动态平衡,漂移电流与扩散电流相互抵消,通过PN结的净电流为 零 、内建电位差:达到动态平衡时,内建电场E产生的电位差称为内建电位差。 用V表示,由半导体物理费米能级知识推得动态平衡时: VB≈Vrln(NaNd/N2) (P13-1) 式中Vr=K·T/q,常温下(即T=300K)是26mv,称为热电压 上式表明,PN结两边的掺杂浓度Na、Nd越大,N越小,VB就越大,锗的 N大于硅,因而硅的V3大于锗,常温下锗的Vg0.2—0.3V,硅的VB≈05- 0.7V。温度升高VB减小(温度升高,N增大影响比Vr大),温度每升高 1C,VB约减小25mV 3、阻挡层宽度:如果结面积为S,PN结内空间电荷区两侧宽度为Xp和Xn则 P区一侧负电荷量Q=- qSXpna N区一侧正电荷量Q= qSXnNd 两边电荷量相等,因而 Xn/Xpi=Na/Nd,阻挡层主要向低掺杂区扩展,动
空间电荷区以外的P区和N区仍处于热平衡状态且保持电中性。 内建电场是由扩散运动产生，却反过来阻碍扩散运动，另一方面又促进N 区少子空穴向P区漂移以及P区少子自由电子向N区漂移，内建电场E最初较 弱，扩散是主要的，随着E的加强，漂移运动加强，最终漂移运动与扩散 运动达到动态平衡，漂移电流与扩散电流相互抵消，通过PN结的净电流为 零。 2、内建电位差：达到动态平衡时，内建电场E产生的电位差称为内建电位差。 用VB表示，由半导体物理费米能级知识推得动态平衡时： VB≈VT㏑（Na·Nd / Ni 2） ---------------------------------（P13—1） 式中 VT =K ·T/q，常温下（即T=300K）是26mv，称为热电压。 上式表明，PN结两边的掺杂浓度Na、Nd越大，Ni越小，VB就越大，锗的 Ni大于硅，因而硅的VB大于锗，常温下锗的VB≈0.2—0.3V, 硅的VB ≈0.5— 0.7V。温度升高VB减小（温度升高，Ni增大影响比VT大），温度每升高 1 0C， VB约减小2 .5mV。 3、阻挡层宽度：如果结面积为S，PN结内空间电荷区两侧宽度为Xp和Xn则 P区一侧负电荷量Q-= -qSXpNa N区一侧正电荷量Q+= qSXnNd 两边电荷量相等，因而Xn/ Xp= Na/ Nd ，阻挡层主要向低掺杂区扩展，动
态平衡下,阻挡层的宽度是可以计算的 由高斯定理∮DdA=Q其中Q为闭合积分面内总电荷,E ￡为介电常数,dA头积分面元。以N区一侧为例: ⊕⊕⊕⊕ POO N ⊕⊕⊕⊕ p 0 ∮.dADdA+∫DdA+」jDdA 耗尽层内底面 柱体侧面 中性N区底面 第二、第三个积分为零,第一个积分在耗尽层内x处,对面积为一的面元 积分得:E=qNd(Xn-x)面积S为1。同理P区 CE=gNa(X+Xp 最大电场强度在x=0处(PN结交界处)Ema= qNdXn qNa Xp…(1) 内建电位差VB=dx=Emn(Xn+Xp)2=EmaL0/2…(2) 由(1)式和(2)式消去Xn和xp得Ema=[(2q/8)NN(NaNa)]l
态平衡下，阻挡层的宽度是可以计算的。 由高斯定理 ∮D·d A=Q 其中Q为闭合积分面内总电荷，D=εE ε为介电常数， d A为积分面元。以N区一侧为例： ∮D·d A=∫ D·d A + ∫ D·d A + ∫ D·d A 耗尽层内底面 柱体侧面 中性N区底面 第二、第三个积分为零，第一个积分在耗尽层内x处，对面积为一的面元 积分得： εE= qNd（Xn – x） 面积S为 1 。同理P区 εE= qNa（ x + Xp ） 最大电场强度在x=0处（PN结交界处）εEmax= qNdXn= qNa Xp ……(1) 内建电位差VB= ∫E dx=Emax(Xn+ Xp)/2 = EmaxL0 /2 ……(2) 由(1)式和(2)式消去Xn和 Xp得 Emax=[(2q / ε) NaNd/ (Na+Nd)]1/2 P N -Xp 0 x Xn
从而L0=2V/Ema[(2/)Na4+Nd)2 (P15-1) 最后解释一下突变结和缓变结等 、PN结的伏安特性 1、正向特性:外加正向电压V(P结正,N结负),由于势垒区内载流子很少是高阻 区,势垒区外是低阻区(内有大量载流子),正向偏置时,外加电压基本 加在势垒区,且与内建电位差vB的方向相反,阻挡层两端的电位差由VB 减少到VB-V,相应阻挡层的宽度由L减少到L,两侧离子电荷量减少, 打破了原扩散运动与漂移运动的动态平衡,扩散运动加强,P(N)区多子 空穴(自由电子)将不断注入N(P)区,成为N(P)区的非平衡少子, 通过边扩散边复合建立如下的Pn(x)、Np(x)浓度分布:(N区少子空 穴浓度分布及P区少子自由电子浓度分布) 指数分布 P
从而L0=2VB/ Emax=[(2ε/q)(Na -1+Nd -1 )]1/2 ------------------（P15—1） 最后解释一下突变结和缓变结等. 二、PN结的伏安特性 1、正向特性: 外加正向电压V(P结正, N结负), 由于势垒区内载流子很少是高阻 区，势垒区外是低阻区（内有大量载流子），正向偏置时，外加电压基本 加在势垒区，且与内建电位差VB的方向相反，阻挡层两端的电位差由VB 减少到VB – V，相应阻挡层的宽度由L0减少到L，两侧离子电荷量减少， 打破了原扩散运动与漂移运动的动态平衡，扩散运动加强，P（N）区多子 空穴（自由电子）将不断注入N（P）区，成为N（P）区的非平衡少子， 通过边扩散边复合建立如下的Pn（x）、Np（x）浓度分布：（N区少子空 穴浓度分布及P区少子自由电子浓度分布）： Cp 0 Cn Pn（x） Np（x） Np0 Pn0 P + N ＋＋ 指数分布 ＋＋ ＋＋ ＋＋ － － － － －
N区中,扩散过来的空穴,立即在X方向产生电场,使N区中的自由电子向左 漂移,N区右侧缺少的电子由外电路补充,直到向左漂移的非平衡自由电子 浓度分布与非平衡空穴分布相同时,电场消失,P区同理,保证N区和P区处 处电中性。 这样,在PN结内部(阻挡层),通过阻挡层的电流主要是有P区和N区中的 多子通过阻挡层扩散形成的自P区指向N区的扩散电流(少子漂移电流忽略不 计);在阻挡层外的P区和N区的电流主要由扩散电流和复合电流组成,以N 区为例:一个是自P区扩散过来的空穴向N区纵深扩散形成的扩散电流,扩散 过程中又不断与自由电子复合(P区不断有空穴注入维持空穴浓度分布不变) 而自由电子也不断自N区右侧补充而来(补充被空穴复合而丧失的电子和大 注入P区丢失的电子)形成自由电子复合电流,方向与扩散电流相同,由于来 到左边的自由电子必然通过右边,故左边复合电流小,右边复合电流大,而 空穴扩散电流则相反。在外电路,电源须不断的向P区注入空穴(补充因注入 N区而失去的空穴及复合非平衡少子而丧失的空穴);向N区注入自由电子, 向P区注入空穴就是从P区拉出电子,显然这些电子恰好是N区所需补充的 此,外电路仅有自N区通过外电源流向P区的电子电流。电流大小推导过程略 (参见半导体物理方面的书籍或教材第三版)
N区中，扩散过来的空穴，立即在X方向产生电场，使N区中的自由电子向左 漂移， N区右侧缺少的电子由外电路补充，直到向左漂移的非平衡自由电子 浓度分布与非平衡空穴分布相同时，电场消失，P区同理，保证N区和P区处 处电中性。 这样，在PN结内部（阻挡层），通过阻挡层的电流主要是有P区和N区中的 多子通过阻挡层扩散形成的自P区指向N区的扩散电流（少子漂移电流忽略不 计）；在阻挡层外的P区和N区的电流主要由扩散电流和复合电流组成，以N 区为例：一个是自P区扩散过来的空穴向N区纵深扩散形成的扩散电流，扩散 过程中又不断与自由电子复合（P区不断有空穴注入维持空穴浓度分布不变） 而自由电子也不断自N区右侧补充而来（补充被空穴复合而丧失的电子和大量 注入P区丢失的电子）形成自由电子复合电流，方向与扩散电流相同，由于来 到左边的自由电子必然通过右边，故左边复合电流小，右边复合电流大，而 空穴扩散电流则相反。在外电路，电源须不断的向P区注入空穴（补充因注入 N区而失去的空穴及复合非平衡少子而丧失的空穴）；向N区注入自由电子， 向P区注入空穴就是从P区拉出电子，显然这些电子恰好是N区所需补充的。因 此，外电路仅有自N区通过外电源流向P区的电子电流。电流大小推导过程略 （参见半导体物理方面的书籍或教材第三版）
2、反向特性:外加反向电压V,即P接负极,N接正极,外加电场方向与内建 电场方向一致,阻挡层电位差为B+V,阻挡层变宽,使少子的漂移运动 加剧,而扩散运动削弱,原平衡又被打破,P区(N区)的少子自由电子 (空穴)被强电场扫向N区(P区),阻挡层两侧少子浓度趋于零。其少子 浓度分布如下图所示 Pno Np(X Pn 这样,外加反向电压,在阻挡层内主要是两边少子通过阻挡层的漂移电流, 而在阻挡层外,以N区一侧为例,由于靠近阻挡层边缘空穴减少,N区内 部的空穴扩散过来,故外电路需向N区补充空穴,即从N区拉出电子(实 际上从N区拉出电子就是为了在N区建立与少子相同的浓度分布,以保持 N区处处电中性,P区同理 由于热平衡少子浓度远小于多子浓度,因而PN结反偏时由形成的反向电 流远小于PN结正偏时由多子形成的正向电流,当外加反向电压稍大时
2、反向特性：外加反向电压V，即P接负极，N接正极，外加电场方向与内建 电场方向一致，阻挡层电位差为VB+V，阻挡层变宽，使少子的漂移运动 加剧，而扩散运动削弱，原平衡又被打破，P区（N区）的少子自由电子 （空穴）被强电场扫向N区（P区），阻挡层两侧少子浓度趋于零。其少子 浓度分布如下图所示： 这样，外加反向电压，在阻挡层内主要是两边少子通过阻挡层的漂移电流， 而在阻挡层外，以N区一侧为例，由于靠近阻挡层边缘空穴减少，N区内 部的空穴扩散过来，故外电路需向N区补充空穴，即从N区拉出电子（实 际上从N区拉出电子就是为了在N区建立与少子相同的浓度分布，以保持 N区处处电中性，P区同理。 由于热平衡少子浓度远小于多子浓度，因而PN结反偏时由形成的反向电 流远小于PN结正偏时由多子形成的正向电流，当外加反向电压稍大时， C P +区 N区 Cp 0 Cn Np0 Pn0 Np（x） Pn（x）