pn结二极管
半导体物理与器件第八章pn结二极管
半导体物理与器件
正偏pn结耗尽区边 界处少数载流子浓 度的变化情况
反偏pn结耗尽区边 界处少数载流子浓 度的变化情况
例8.1
半导体物理与器件
少数载流子分布
假设：中性区内电场为0 无产生 稳态pn结 0 长pn结
例8.4
0
0
Dn
2 n x2
n n n E g x n0 t
Js eDp pn 0 Lp eDn n p 0 Ln
反偏饱和电流（密度）
则理想pn结的电流-电压特性可简化为：
eV J J s exp a kT 1
尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn结推导出来的， 但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电 流饱和为Js
势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va) ；正向偏置电压
Va在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度 减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。
半导体物理与器件
产生了净扩散流； 电子：n区→ p区
空穴：p区→ n区
热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高 度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移 运动小于扩散运动，产生了净扩散流。
偏置状态下p区空间电 荷区边界处的非平衡 少数载流子浓度
注入水平和偏 置电压有关
eVa pn ( xn ) pn 0 exp kT
半导体物理与器件
注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和 复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少 数载流子浓度。 上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是 对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从 上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。
半导体与电子器件PN结与二极管
半导体与电子器件PN结与二极管半导体与电子器件一直是电子科技领域的重要组成部分，其中PN 结与二极管是半导体器件中常见且关键的元件。
本文将介绍PN结和二极管的基本原理、结构以及主要应用。
一、PN结的基本原理和结构PN结是由P型半导体和N型半导体的结合形成的。
P型半导体中的杂质原子掺入了三价元素，如硼（B）元素，使得半导体中存在电子空穴对，形成P型半导体；N型半导体则是通过掺入五价元素，如磷（P）元素，引入多余的电子而形成。
当P型和N型半导体相接触时，由于浓度差异，会出现电子从N型半导体转移到P型半导体的趋势，形成一个电子亏损区和一个电子富集区，即PN结。
PN结的结构可以简单分为P区、N区和结区。
P区富集了电子空穴对，N区则富集了自由电子。
结区是PN结最关键的部分，由于P区富电子空穴对，N区富自由电子，两者通过扩散在结区发生重组，形成电子亏损区和电子富集区。
这种扩散导致在PN结附近出现自愿产生的电场，并在不同的电势下形成一个势垒。
这个势垒阻碍了电子和空穴进入对方区域，从而形成了PN结的特性。
二、二极管的基本原理和结构二极管是基于PN结构的半导体器件，具有两个电极，分别为阴极（Cathode）和阳极（Anode）。
二极管可分为正向偏置和反向偏置两种状态，取决于电压的极性。
1. 正向偏置在正向偏置下，即将正电压施加在P区，负电压施加在N区。
这样，电子从N区跨越PN结进入P区，同时空穴从P区进入N区，两者在PN结重组后均得到补偿。
在正向偏置下，PN结的势垒得到降低，电流可以流通，形成导通状态。
二极管此时表现为低电阻状态，允许电流通过。
2. 反向偏置在反向偏置下，即将正电压施加在N区，负电压施加在P区。
这样，电子会受到势垒的阻碍无法通过，空穴也无法进入N区。
因此，在反向偏置下，PN结的势垒增加，形成一个高电阻状态，阻止电流流过，此时二极管处于关闭状态。
三、PN结和二极管的应用PN结作为半导体的基本结构，广泛应用于各种电子器件中，包括二极管、三极管、场效应管等。
第四章 p-n结二极管
qDh pn 0 qV / kT e 1 e x / Lh qGLh e x / Lh Lh qDe p p 0 qV / kT J e x e 1 e x / Le qGLe e x / Le Le 耗尽区电流密度变化为： | J e || J h | qGW Jh x
I I0 eqV/kT 1
理想二极管定律
在理想的二极管中，电流与电压的关系为：
32
I I0 eqV/kT 1
I为通过二极管的净电流，I0为反向暗饱和电流（在没有光照情 况下输出的电流），V是施加在二极管两端的电压，q和k分别 代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，T则表示绝对温度（单位 为K）。
4.7 光照特性
太阳能电池的结构与工作原理
两个条件： 1. 被吸收的光可将材料中的电子激发到高能级； 2. 处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路，在外 部电路的电子消耗了能量后回到电池中。
35
光照下的pn结
36
主要过程： 1. 吸收入射光电子并产生电子-空穴对； 2.在内电场作用下，电子向N型区漂移，空穴向P型区漂移。 这种漂移电流就是光生电流，是由少子运动决定的。 电流方向：N型区流向P型区，与扩散电流方向相反。
pn结内的电荷密度
pn结内空间电荷密度分布：
电荷密度
14
x qND 0 x xn
x qNA x p x 0
耗尽区
电中性条件： N A x p N D xn 耗尽区宽度： W x p xn
pn结内的电场分布
将空间电荷密度积分得到 电场分布：
少数载流子注入：由pn结两边的偏压来控制少数载流子浓度。 耗尽区边缘少数载流子浓度随外加电压增加而呈指数增加。
PN结和二极管的工作原理
PN结和二极管的工作原理PN结是半导体器件中常见的结构之一，也是二极管的基本组成部分。
它具有特殊的工作原理，能够实现电流的单向导通，从而实现电子器件的正常工作。
在这篇文章中，我将详细介绍PN结和二极管的工作原理。
一、PN结的构成和形成PN结由两种不同类型的半导体材料P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的杂质掺杂物主要是三价元素，如硼(B)，而N型半导体中的杂质掺杂物主要是五价元素，如磷(P)。
当P型半导体和N型半导体接触时，发生电子的扩散过程。
当两种半导体相接触时，P型半导体中的电子会向N型半导体中扩散，而N型半导体中的空穴会向P型半导体中扩散。
这样，在相接触区域形成一个带有正电荷的区域，称为P区，和一个带有负电荷的区域，称为N区。
P区和N区之间的边界称为PN结。
二、PN结的正向偏置当在PN结上施加正向电压时，使P区的正电荷与N区的负电荷相吸引，减小了PN结的势垒，电子和空穴能够更容易地通过PN结区域。
在正向电压作用下，P区中的空穴朝着N区移动，N区中的电子朝着P区移动，形成空穴电流和电子电流的流动。
空穴和电子在PN结区域相互复合，产生的正负离子消失。
这样，PN结就能够导通，电流可以顺利通过。
三、PN结的反向偏置当在PN结上施加反向电压时，使P区的负电荷与N区的正电荷相吸引，增加了PN结的势垒，形成一个更大的阻碍电流流动的势垒。
在反向电压作用下，PN结的势垒增大，电子和空穴被阻止穿越PN 结区域，电流无法通过PN结。
只有当反向电压超过PN结的击穿电压时，才会发生击穿现象，电流才能够通过PN结。
四、二极管的工作原理二极管是一种基于PN结构的电子器件，它具有单向导电特性。
当二极管的正极施加正向电压，负极施加反向电压时，二极管处于正向偏置状态；当二极管的正极施加反向电压，负极施加正向电压时，二极管处于反向偏置状态。
在正向偏置状态下，二极管导通，电流可以从P区流向N区，实现低阻抗。
在反向偏置状态下，二极管截止，电流无法通过，形成高阻抗。
二极管的pn结
二极管的pn结二极管是一种具有两个电极的电子元件，其中一个电极被称为阳极（Anode），另一个电极被称为阴极（Cathode）。
二极管的关键部分是由p型半导体和n型半导体组成的pn结。
本文将详细介绍二极管的pn结的结构、工作原理以及其在电子技术中的应用。
一、pn结的结构pn结由p型半导体和n型半导体通过熔融或扩散等工艺连接而成。
p型半导体中含有杂质原子，如硼（B）或铝（Al），使其电子浓度较低；而n型半导体中含有杂质原子，如磷（P）或砷（As），使其电子浓度较高。
当p型和n型半导体连接在一起时，形成了一个p 区和一个n区，即pn结。
二、pn结的工作原理当二极管处于正向偏置时，即将阳极连接到p区，阴极连接到n区，此时电流可以流过二极管。
在正向偏置下，p区中的空穴将向n区移动，而n区中的电子将向p区移动。
由于空穴和电子在pn结中的重新组合，形成一个正电荷区和一个负电荷区，这被称为耗尽区。
在耗尽区中形成的电场会阻止进一步的电子和空穴移动，形成一个电势垒。
当二极管处于反向偏置时，即将阳极连接到n区，阴极连接到p区，此时电流几乎无法流过二极管。
在反向偏置下，p区中的电子将被吸引到n区，而n区中的空穴将被吸引到p区。
这导致电子和空穴在耗尽区中进一步分离，增加了电势垒的宽度。
因此，反向偏置下的电流非常小，几乎可以忽略不计。
三、pn结的应用1.整流器：由于二极管在正向偏置时允许电流通过，在反向偏置时阻止电流流动，因此它可用作整流器。
在交流电源中，二极管可以将交流电信号转换为直流电信号，实现电能的有效利用。
2.发光二极管（LED）：发光二极管利用pn结的特性，当注入电流时，电子和空穴在pn结中重新组合，产生光。
这种发光现象被应用于各种照明和显示领域。
3.太阳能电池：太阳能电池是利用光照射时光电效应产生的电能。
太阳能电池利用pn结的特性，当光照射到pn结上时，光子会激发电子和空穴，从而产生电流。
4.温度传感器：二极管的电流与温度呈正相关关系。
PN结二极管概述
PN结二极管概述PN结二极管是一种常见的电子器件，它是由P型半导体和N型半导体组成。
PN结二极管具有单向导电性，即在正向电压下通过电流，而在反向电压下几乎不导电。
它是现代电子技术中最基本的器件之一，广泛应用于电路设计、电源管理、通信系统和光电器件等领域。
PN结的形成是通过对P型和N型半导体材料进行特殊处理，使得其中掺入的杂质发生化学反应，形成一个界面区域。
在P型半导体中掺入的杂质称为施主杂质，它提供了额外的电子；在N型半导体中掺入的杂质称为受主杂质，它提供了额外的空穴。
当P型和N型半导体相接触时，施主和受主杂质之间会发生电荷转移，形成一个电势垒。
这个电势垒会阻碍电流的流动，因此PN结二极管在反向电压下具有高阻抗。
当正向电压施加在PN结二极管上时，施主杂质的电子会向电势较低的N型半导体移动，与受主杂质的空穴结合，形成一个导电通道。
这时，PN结二极管的电势垒被削弱，电流可以流经二极管。
由于P型半导体和N 型半导体的材料特性不同，导致二极管的导电特性也有所不同。
在正向电压下，PN结二极管的导电特性可以近似为理想二极管模型，即电流与电压成指数关系。
在反向电压下，当电势较高的一侧施加一个负电压，PN结二极管的电势垒会进一步扩大，电子会被吸入施主一侧，空穴会被吸入受主一侧。
这样，电势垒的高度增加，对电流的阻碍也更强。
只有当反向电压超过一定程度时，电势垒被击穿，电流开始流过二极管。
这种击穿现象称为反向击穿，会损坏二极管，因此在设计电路时需要注意反向电压的大小。
PN结二极管的性能参数主要包括最大正向电流、正向电压降、反向击穿电压和反向电流。
最大正向电流是指在正向电压下，二极管能够稳定工作的最大电流值；正向电压降是正向电流流过二极管时产生的电压降；反向击穿电压是反向电压超过一定程度时，电势垒被击穿的电压值；反向电流是在反向电压下，流经二极管的电流值。
除了基本的PN结二极管，还有其他变种的二极管，如肖特基二极管和光二极管。
点接触型二极管pn结
点接触型二极管pn结一、什么是二极管 pn 结1.1 二极管的基本原理二极管是半导体器件中最简单常见的一个，它由P型和N型半导体材料组成。
二极管的核心部分是pn结，通常也可称作二极管的正常态。
1.2 pn 结的构成pn 结由一个P型半导体和一个N型半导体通过结区连接而成。
P型半导体中带有电子亏缺的空穴（空穴激发）成为正空穴，而N型半导体中带有过量电子的地方（电子导带）成为电子活性区。
二、点接触型二极管的特点2.1 点接触在点接触型二极管中，p区与p区之间的物质是用m型金属汞或m型金属某种化合物做点形连接的，因此也称为点接触型二极管。
2.2 符号表示点接触型二极管的电路符号为一个带箭头的三角形，箭头指向P区。
2.3 pn 结的性质点接触型二极管有两种性质，即单向导电和电压保护。
在电压为正向时，电子从N 区流向P区，导电性增强；在反向电压时，电子从P区流向N区，二极管以高阻抗状态工作。
这种性质使得二极管可用于整流器、稳流器、调制电路和开关电路等应用中。
三、点接触型二极管的工作原理3.1 正向偏置正向偏置是指在正向电压作用下，电子从N区向P区移动。
当外加正向电压超过二极管的阈值电压，pn 结开始导电。
3.2 反向偏置反向偏置是指在反向电压作用下，电子从P区向N区移动。
当外加反向电压超过二极管的阈值电压时，pn 结进入到击穿状态，电流急剧增大。
四、点接触型二极管的应用4.1 整流器点接触型二极管可以用作整流器，将交流电转换成直流电。
这是二极管最常见的应用之一。
4.2 稳流器点接触型二极管也可以用作稳流器，通过固定电流流经二极管，从而保持电流的稳定。
4.3 调制电路二极管的导电特性可以用于调制信号，将不同频率的信号合并成为一个复合信号。
4.4 开关电路点接触型二极管还可以用于开关电路，通过控制二极管的导通和截止状态来控制电路的开关。
五、总结点接触型二极管是一种常见的二极管结构，它由P型和N型半导体通过结区连接而成。
第二章-PN-结二极管演示教学
方程 →求“非少子”浓度的
边界值 →求“非少子”浓度梯
度 →分别求电子、空穴的
扩散电流密度 →求PN结电流
2.1 直流特性
2.1 直流特性
PN结N区边界处少子扩散电流密度：
由：jp
qp0
Dp Lp
jp
q
pn0
exp
qV kT
1
Dp Lp
PN结P区边界处少子扩散电流密度：
（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的 影响。
（4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入 自建电场。 IF与 eqVF2KT成 正 比 。
（5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流 JG的影响。
（6）当T升高时，JF增大，JR增大。
2.1 直流特性
2.1.6 大注入 1.大注入定义：正偏工作，注入载流子密度等于或
2.1.3 反向PN结 （1）反向PN结的少子抽取
反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同
增强空间电荷区中的电场
破坏扩散漂移运动平衡
漂移运动强于扩散运动 抽取少子
Ln
Lp
2.1 直流特性
P区 jp
(2)反向PN结中载流子的运动
Ln
N区
jn Lp
2.1 直流特性
2.1.4 V-I 特性方程 一、理想PN结模型
空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的 平衡
扩散运动强于漂移运动 注入少子 注入的少子边扩散边复合
2.1 直流特性
P区
（2）正向PN结中载流子的运动
电流在 N 型区中主要由电子携带
jn
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反偏时的能带/电路混合图
.
9
.
10
8.1.2 理想的电流-电压关系
理想p-n结，满足以下条件的p-n结 （1）杂质分布为非简并掺杂的突变结
p=n0 -xp<x<xn （耗尽层近似） (x)= -qNA -xp<x<0
qND 0<x<xn （2）小注入条件：p区：n<<pp0
n区：p<<nn0 （3）pn结内电子电流和空穴re 8.3
.
15
8.1.2 理想的电流-电压关系
pn结定律：
EFnEFp
eV a
npni2e k T ni2ek T
边界条件：在空间耗尽层边界：
eVa
np(xp) pp(xp) ni2e kT
np (xp )
ni2 Na
eVa
e kT
eVa
np0e kT
eVa
nn(xn) pn(xn) ni2e kT
.
30
n区
扩散方程 边界条件
通解
满足边界条件的特解
0
DP
d 2 p n dx 2
pn p
(x
xn)
pn(xn W n) 0
eV a
p ( x n ) p n 0 ( e kT 1 )
x
x
p ( x ) A1e LP A 2e Lp
pn(x)
eV a
p n 0 ( e kT
sinh[( 1)
xn W n x) Lp]
pn(xn)
ni2 Nd
eVa
e kT
eVa
pn0e kT
.
16
Figure 8.4
8.1.2 理想的电流-电压关系
.
17
（1）边界条件：
p区
ea V
npnp(xp)np0np0(ekT1)
np(x)0
n区
ea V
pnpn(xn)pn0pn0(ekT1)
pn(x)0
.
18
P区
扩散方程
0
Dn
J n(xp
)
eD
n
dn p (x) dx
.
eD n n p 0
qV a
( e kT
1)
x xp
Ln
19
n区
扩散方程
0
DP
d 2p n dx 2
pn p
(x
xn)
边界条件
pn(x ) 0
p(xn)
n
2 i
Nd
eV a
( e kT
1)
通解
x
x
p ( x ) A1e LP A2e Lp
.
5
2.加正偏电压
势垒高度降低， n型一侧有更多的 电子越过势垒进入p区，形成净电 子扩散电流IN，同理可分析空穴形 成扩散电流IP。 流过pn结的总电流I=IN+IP。 因为势垒高度随外加电压线性下降， 而载流子浓度随能级指数变化，所 以定性分析可得出正偏时流过pn结 的电流随外加电压指数增加。
（)
Ge
管比硅管的饱和电流大
Na
Js
q
Dp Lp
n
2
i（
p
n
二极管）
Nd
Js
q
Dn Ln
n
2
i（
pn
二极管）
Na
.
10 6 倍）
25
Figure 8.8
.
26
.
27
.
28
反向偏置下p-n结费米能级
.
29
短二极管
n区或p区的宽度远小于 少子的扩散长度的二极 管叫短二极管
P区的扩散方程，边界 条件和求解结果与前面 的完全一致。
.
3
0偏
反偏
正偏
.
4
8.1 pn 结电流
1.热平衡状态
电子从n区扩散到p区需有足够 的能量克服“势垒”。只有少 数高能量的电子能越过势垒到 达P区，形成扩散流。
P区的电子到达n区不存在势垒， 但是少子，少数电子一旦进入 耗尽层，内建电场就将其扫进n 区，形成漂移流。
空穴的情况与电子类似
热平衡：电子的扩散流=漂移流
eV a
xn x
满足边界条件的特解 p n ( x ) p n 0 ( e kT 1 ) e L P
电子的扩散电流密度
J P (xn)
eD
p
dpn dx
eD
p pn0
eV a
( e kT
1)
x xn
Lp
.
20
8.1.2 理想的电流-电压关系
J J ( xp) J (xn)
eD (
第八章 pn结二极管
.
1
第八章pn结二极管
8.1 pn 结二极管的I-V特性 8.2 pn 结的小信号模型 8.3 产生-复合流（与理想I-V特性的偏离） 8.4 pn 结的击穿 8.5 pn结的瞬态特性 8.6 隧道二极管
.
2
8.1 pn 结电流
将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数 之间建立定性和定量的关系。 1.定性推导： 分析过程，处理方法 2.定量推导： 建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求解 少子分布函数-求扩散电流-结果分析。 3.分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因
p pn0
eD
n n po
eV a
)( e kT
1)
Lp
Ln
eV a
J s ( e kT 1)
Js
eD (
p
pn0
Lp
eD n n po Ln
)
随温度的升高，本征 载流子浓度升高，饱 和电流增加，二极管 的正向电流和反向电 流都会随温度增加而 升高。
.
21
8.1.2 理想的电流-电压关系
正偏时的过剩少子浓度分布
pn结内的总电流处处相等（稳态）
.
11
8.1.2 理想的电流-电压关系
(4) 忽略耗尽区内的产生与复合，即认为 电子、 空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与 复合，故通过 势垒区的电子电流和空穴电流为
恒定值。
.
12
Figure 8.3
.
13
8.1.2 理想的电流-电压关系
方法步骤： （1）边界条件 （2）扩散方程 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过pn结的电流
d 2n p dx 2
n p n
(x
xp)
边界条件
n p ( x ) 0
eV a
n p ( x p ) n p 0 ( e kT 1)
通解
x
x
n p ( x ) A1e Ln A2e Ln
特解
eV a
xpx
n p ( x ) n p 0 ( e kT 1) e Ln
电子电流
.
6
正偏时的能带/电路混合图
.
7
3.反向偏置：
势垒高度变高，n型一侧几乎 没有电子能越过势垒进入p区， p区一侧有相同数目的电子进 入耗尽层扫入n区，形成少子 漂移流，同理n区的空穴漂移 形成IP，因与少子相关，所以 电流很小，又因为少子的漂移 与势垒高度无关，所以反向电 流与外加电压无关。
.
8
.
22
8.1.2 理想的电流-电压关系
电子电流和空穴电流的分布图
.
23
8.1.2 理想的电流-电压关系
.
24
8.1.2 理想的电流-电压关系
(1)正向偏置：
J
qV A
J s ( e kT
ln(
J)
ln(
Js)
e kT
Va
( 2 )反向饱和电流
Js
( eD p Lp
n
2 i
Nd
Dn Ln
n
2 i