基础电子技术 课件 1.2 PN结
半导体PN结_图文
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1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。 而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有电荷的变
化, 说明ＰＮ结具有电容效应。 PN结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
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1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 浓度是一定的，故少子形 成的漂移电流是恒定的， 基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流。
第二讲 模拟电子技术基础PN结
PN结无论是本征半导体，还是单一杂质半导体是不能构成电子器件的。
只有将两种杂质半导体进行有机结合，才能制造出电子器件。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面将形成PN结。
PN结具有单向导电性。
它是构成电子器件的最小结构。
在半导体器件和集成电路中具有重要的作用。
1.2 PN结及其单向导电性1.2.1 PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。
P型半导体和N型半导体的交界面形成一个特殊的薄层，称为PN结。
NP+++---+++++++++++++-------------PN结（1）PN结形成的物理过程：交界面两侧载流子存在浓度差空穴和电子在交界面产生复合多子浓度骤然下降不移动带电离子形成空间电荷区耗尽层、PN 结多子的扩散运动N 区的电子（多子）向P 区扩散P 区的空穴（多子）→N 区空间电荷区（PN 结）PN耗尽层内电场+_PN 结内：N 区失去电子→显正电性P 区得到电子→显负电性在空间电荷区内形成了N 区→P 区的电场，称为内电场1.2 PN结及其单向导电性（2）PN结内存在两种载流子的运动：空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动阻止多子扩散运动形成PN 结宽度相对稳定②少子的漂移运动：N 区的空穴→P 区P 区的电子→N 区空间电荷区变窄空间电荷区加宽①多子的扩散运动：N 区的电子→P 区P 区的空穴→N 区扩散和漂移达到动态平衡1.2 PN结及其单向导电性NP ++++++++++++++++----------------E 多子的扩散运动浓度差少子的漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
扩散的结果使空间电荷区变宽。
RUN P ++++++++++++++++----------------U φUi D++__1.2.2PN 结的单向导电性（1）PN结加正向电压（正偏）：P 区接电源正极，N 区接负极外电场与内电场方向相反外电场削弱内电场耗尽层变窄破坏PN 结动态平衡扩散运动＞漂移运动多子扩散形成较大的正向电流PN结呈现低阻导通状态1.2 PN结及其单向导电性RUU i RU φN P ++++++++++++++++----------------++__（2）PN结加反向电压（反偏）：P 区接负电源，N 区接正外电场与内电场方向相同外电场加强内电场耗尽层变宽破坏PN 结动态平衡漂移运动＞扩散运动少子漂移形成极小的电流PN结呈现高阻截止状态1.2 PN结及其单向导电性1.2 PN结及其单向导电性PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。
二极管及应用—PN结的形成及特性(电子技术课件)
3.PN结的电容效应
耗尽层
所以当PN结两端电压发生改变时，PN结上有一个微弱的电容效应，相当 于在单向导电的PN结上并联了一个很小的电容。
3.PN结的电容效应
耗尽层
这个电容叫PN结的结电容。
2.耗尽层
P型半导体 空穴 自由电子 N型半导体
空间电荷区——在交界面因扩散运动形成的这个特殊的带异性电荷的区域叫 做空间电荷区，也称为耗尽层。
3.内电场
内电场方向
P型半导体 空穴 自由电子 N型半导体
因扩散作用形成的空间电荷区，会产生一个由P区指向N区的内电场。多子 （空穴和自由电子）扩散进入到空间电荷区后，受到的电场力如图所示。
2.N型半导体的形成
加入+5价元素
+5
自由 电子
带正电 的杂质 离子
最外层的5个电子 与周围四个半导体原子 形成共价键时，多出一 个电子，从而会产生一 个自由电子和一个带正 电的杂质离子。
这样的掺杂半导体中，自由电子的数量就会大大高于空穴的数量，使导电 能力增强，这种半导体称为N型半导体。
2.N型半导体的形成
加入+3价元素
+3
带正电 的空穴
杂质原子中的空 位，容易吸引周边原 子最外层电子的填补
带负电杂 ，从而形成一个带负 质离子 电的杂质离子和一个
带正电的空穴。
这样的掺杂半导体中，空穴的数量就会大大高于自由电子的数量，使导电能 力增强，这种半导体称为P型半导体。
1.P型半导体的形成
加入+3价元素
+3
带正电 的空穴
2.PN结的反向连接 空间电荷区在外电场的作用下，会被进一步拉宽（变宽）
2.PN结的反向连接
由于空间电荷区中没有能自由移动的电荷，所以呈现绝缘体的特性，此时 的PN结不导电，回路中电流几乎为零。
《半导体PN结》PPT课件
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半
导体的导电能力越强，温度是影响半导体性
能的一个重要的外部因素，这是半导体的一
大特点。
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总结
西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能键中留
因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原精选子课件也ppt称为施主杂质。
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N 型半导体
而空穴的迁移相当于
+4
+4
正电荷的移动，因此
可以认为空穴是载流
子。
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西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定 向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴位来实现的
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
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西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体 1）导体、半导体和绝缘体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、 陶瓷、塑料和石英。
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第一章pn结
I0
A
qDp pn0 Lp
qDn
n
0 p
Ln
V kT ln( I 1) q I0
p-n结正向电流随外加电压呈指数关系上升。
对于不同材料、不同掺杂浓度的p-n结，I0值可能会相
差很大。定义:当p-n结(单位面积)的正向电流达到0.1mA时 所对应的外加正向电压为该p-n结的正向阈值电压，或称门
•理论与实验结果的偏离 •势垒复合电流 •大注入效应 p-n结直流特性的理论分析
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§1.2 p-n结的直流特性
二、反向p-n结
1 反向p-n结的能带与势垒
2 p-n结的反向抽取作用与准费米能级
3 反向p-n结边界少子浓度及两侧少子浓度分布
4 p-n结的反向扩散电流
5 势垒产生电流
6 表面漏电流 三、温度对p-n结电流、电压的影响
x'
Δp(x)
qv
pn0(e kT
x
1 )e Lp
Lnxp xn Lp
00
x
qv
x'
Δn(x') n0p(e kT 1 )e Ln
pn(x)
qv
pn0(e kT
x
1 )e Lp
pn0
qv
x'
np(x') n0p(e kT 1 )e Ln n0p
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正向p-n结电流成分转换
流子的数量
pp xp nn xn eqVD V kT pn xn np xp
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4 正向p-n结电流-电压公式
非平衡少子浓度分布公式 电流成分的转换 正向电流公式 正向阈值电压 关于正向电流公式的讨论
PN结(1.2)
在同一块半导体基片的两边分别形成P 型和N 型半导体，则交界面就形成PN 结。
PN 结是绝大部分半导体器件的基础。
当((a d N P N N ≈区杂质浓度）区杂质浓度）时，称对称结； 当((a d N P N N ≠区杂质浓度）区杂质浓度）时，称非对称结。
如a d N N >，则用P N +表示；如a d N N <，则用PN +表示1.2.1动态平衡下的PN 结 1、PN 结的形成P 区的空穴（多子）浓度>>N 区的空穴（少子）浓度，∴P 区的空穴向N 区扩散，与N 区的自由电子（多子）复合。
同样N 区的自由电子也向P 区扩散，与P 区的空穴复合。
这样在P 区留下杂质负离子，在N 区留下杂质正离子，就在交界面两侧形成了由数目相等符号相反的杂质离子构成的空间电荷区----PN 结。
空间电荷区产生的电场叫内电场E ，方向N →P.内电场的作用：阻挡多子的扩散，推动少子的漂移。
开始时，空间电荷区很薄，E 很小，扩散电流D I >漂移电流T I ,使空间电荷区变厚，E 变大，使D I ↓，T I ↑，最终使D T I I =，扩散和漂移达到动态平衡，总电流( 通过PN 结的净电流)为零。
2、内建电位差B V ------内电场产生的电位差2lna dB T i N N V V n ⋅≈ 式中 T kTV q=为热电压，室温（T=300K ）时，26T V mV =. Si ：0.50.7B V V = , Ge ：0.20.3B V V = 3、空间电荷区的其它名称 阻挡层（阻挡多子扩散）P (a ) 多数载流子的扩散运动N(b ) 平衡时阻挡层形成自建场势垒区4、空间电荷区宽度设PN 结的截面积为S ,P 区一侧的空间电荷区宽度为Xp, N 区一侧的空间电荷区宽度为Xn ，因为两边电荷量的绝对值相等，所以p a n d q S X N q S X N ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅ ∴n ap dX N X N =。
第2章_PN结
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2、耗尽区
空间电荷区
耗尽近似：假设空
P
xp
电位 电子的电势能
FP
N
内建电场
xn
间电荷区内的载流子完
空间电荷完全由电离杂 质提供。这时空间电荷
0
q 0
全扩散掉，即完全耗尽，
区又可称为“耗尽区”。 E
qVFN ED
EC Ei EF E EiV EV
EC
能带 能带
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设P型和N型侧的耗尽层宽度分别为xp和xn, 整个空间电荷层宽度表示为W=x n +x p 耗尽层宽度与扩散电势差有关，具体的计 算分情况讨论（了解） 对于P+N突变结
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正向偏压PN结中费密能级的变化 图中的电子准费米能级如何随位置变化的？
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PN结的反向特性 反向PN结
P区接负，N区接正 外加电场与内建电场方向相同 空间电荷区中的电场增强 反向电压使： 势垒区宽度变宽 势垒高度变高 0 qV0D↑q(VD+VR)
破坏扩散漂移运动平衡 漂移运动 强于 扩散运动
W =xn
20 1/2 qN D
空间电荷区的自建电场强度是非均匀电场， 电场强度是x的函数
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2.2 加偏压的PN结
2.2.1 PN结的单向导电性 2.2.2 少数载流子的注入与输运
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2.2.1 PN结的单向导电性
非平衡PN结
处于一定偏置状态下的 PN结称为非平衡PN结
当PN结两端加正向偏 压VF，即P区接电源的 正极，N区接电源的负 极，称为正向PN结。 反之，当PN结两端加反 向偏压VR则称反向PN结。
p n x n p n x n p n 0
第二章-PN结
＝(x)x P(x)p(x)qP) 离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡
少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。
EF
反偏压-V R 使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的降低qV R 。扩 散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽
取 作 用 ， 在 扩 散 区 载 流 子 很 少 ，P(x)p(x)qP 很 小 ， 因 此 虽 然 有 很 大 的
氧化工艺： 1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的 作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。 在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。
扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。
常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑 扩散。
液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液 态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽 分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内 部扩散。
P Si N Si
金属
N+
（j） P-N 结制作完成
引言
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na
xj 0
x -Nd
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线） 图 2.2
-ax
xj 0
x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
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HIT基础电子技术电子教案----PN结
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
空穴
多子
少子
图01.02.01 PN结的形成
漂移电流的方向正好 与扩散电流的方向相反， 扩散运动越强，内电场越 强，对扩散运动的阻碍就 越强；内电场越强，理应 漂移电流就越大。因为少 数载流子的浓度由本征激 电子 发确定，在一定的温度条 件下 是一定的。而漂移电 流由少子构成，所以，漂
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.2.2 PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图01.02.04所示。
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场
R
IF
E
图01.02.04 PN结加正向电压
外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子 扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移 电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
多子
空穴
少子
图01.02.01 PN结的形成
多子扩散的结果，在 交界面处由杂质离子形成 了空间电荷区，产生了内 电场，其方向由N区指向P 区。这个空间电荷区，或 内电场称为PN结。
内电场的形成将阻止 扩散运动的进一步发展， 电子 同时内电场对少子施加电 场力，促使少子产生漂移 运动，形成漂移电流，其 方向由N区到P区。
电源正极 发光二极 管发光
图01.02.02 PN结单向导电性实验(正向）
HIT基础电子技术电子教案----PN结
将PN结左右翻转180，二极 管负极接电源正极，黑色标记 在左侧。
电源正极
发光二极 管熄灭
图01.02.03 PN结单向导电性实验（反向）
此时PN结反偏，电阻大，发光二极管不发光，说明 PN结不导电。这个实验说明PN结具有单向导电性。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.4 PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
势垒电容主要是由空间电荷区的离子薄层形成的。一般 外加反向电压来控制 PN 结的厚度，离子薄层的厚度随外加 电压而相应地改变， PN 结中存储的电荷量也随之变化，犹 如电容的充放电。
E IS
区的少子在内电场的作用 下形成的漂移电流远大于
图01.02.05 PN结加反向电压
扩散电流，可忽略扩散电
流，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一
定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向
电压的大小无关，这个电流Is也称为反向饱和电流。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2 PN结
1.2.1 PN结的形成 1.2.2 PN结的单向导电性 1.2.3 PN结的电流方程 1.2.4 PN结的电容效应
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.1 PN结的形成
将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起，这种
紧密连接不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。
下图是PN结形成过程的示意图，图中蓝色小圆 为多子电子；
1.2.3 PN结的电流方程
根据理论推导，PN结的电流方程式可用下式表示
U
I IS (e UT 1)
(01.01)
式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降， UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电 子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），
则UT=26 mV。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.2.3 PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况如图01.02.05所示。
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外加的反向电压大部 分降落在PN结区，方向与 PN结内电场相同，加强了
外电场
内电场。内电场对多子扩 散运动的阻碍增强，扩散
R
电流大大减小。此时PN结
红色小圆 为多子空穴。蓝色小方块 少子空穴。
N
此时将在N型半导体和
P型半导体的结合面上形成
如下物理过程。
扩散电流
因P区和N区多子浓度
差,形成多子的扩散运动,
P区的空穴向N区扩散； N
空穴 电子
空穴
多子
少子
图01.02.01 PN结的形成
电子 区的电子向P区扩散，于是 产生了扩散电流。
给PN结所加的电压满足UP> UN，称为给PN结加正向电 压，简称PN结正偏；
给PN结所加的电压满足UP< UN，称为给PN结加反向电 压，简称PN结反偏。
下面对PN结的单向导电性进行解释。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.2.1 实验现象
实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验， 因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个 二极管来做PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验 电路(表示二极管负极的二黑极色管圆负极环黑在色右圆侧)， PN结正偏，此时 二极管导通，发光二极环管标因记电在流右侧大而发光。
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面堆积而形 成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提 供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积 在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲 线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的 浓度梯度分布曲线。
移电流的大小就一定，不会随内电场加大而加大。从而在 一定温度条件下，扩散和漂移会达到动态平衡，扩散电流 和漂移电流相等。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
以上在N型半导体和P型半导体结合面上形成的物理过程 概括如下：
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
扩散电流 ＝ 漂移电流
因为内电场(PN结)中的多数载流子已经扩散尽了，缺 少多子，所以PN结也称为耗尽层。PN结有许多别名，空间 电荷区、耗尽层、内电场、离子薄层等等。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.2 PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若P区的电位高于N区，电流从 P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；若P区的电位 低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流 小。如果外加电压使：