第六章 pn结二极管：I-V特性
半导体物理学第六章解读
ND X D ND NA
1
Q=eND
Xn
2
0e
(
NDNA ND NA
)(VD
V
2 )
♦单边突变结:
XD
2
e
0
1
(VD V NB
)
2
♦势垒区主要在轻掺杂 一边
• 对p+-n结, NB代表ND • 对p-n+结, NB代表NA
xn X D
xp XD
P+-n结
3. 突变结的势垒电容
电势
图6-8
电子势能(能带)
6.1.5p-n载流子的分布 ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x ) EF
• 反向偏压下的突变结势垒电容(单位面积):
1
CT A
dQ dV
2(
0eND NA
ND NA )(VD
V
)
2
CT 0
A XD
CT
(VD
1 V )1/ 2
• 几点说明:
① p-n结的势垒电容可以等效为一个平行
板电容器,势垒宽度即两平行极板的距离
② 这里求得的势垒电容, 主要适用于反向 偏置情况
xn
NAXD ND NA
, xp
ND X D ND NA
• 代入上式
VD
q
2 0
( NAND ND NA
)
X
2 D
♦则，平衡p-n结
1
XD
pn结
（2）对于给定的掺杂浓 度，VBR随二极管中半导 体的禁带宽度而增加。
引起击穿的两种物理机制：雪崩倍增和齐纳过程
雪崩倍增 原因：碰撞电离 并非在VA=-VBR处 突然出现雪崩击穿。 而是在远低于击穿 电压时，部分载流 子能够有机会获得 足够的能量来产生 碰撞电离。引入倍 增系数M。
M I I0
P162页：5.9 一个pn结二极管，其掺杂分布参见图p5.9，且满足公式
N D N A N0[1 exp(ax)]
，其中N0和a为常数。
(a) 简要地描述出耗尽近似。 (b) 根据耗尽近似，画出二极管内电荷密度示意图。 (c) 建立耗尽层内电场的表达式。
(1) 在耗尽层内，净电荷正比于ND-NA 在耗尽层外，净电荷为0 (3)
2
D n dp J p ( x' ) qDP q P i (e qVA / kT 1)e x '/ LP dx' LP N D
J J N ( x p) J P ( x xn )
DN ni 2 DP ni 2 qV A / kT I AJ qA 1 L N L N e A P D N
问：下图是室温下一个pn结二极管内的稳态载流子浓度 图，图上标出了刻度。 （a）二极管是正向还是反向偏置？并加以解释。 （b）二极管准中性区域是否满足小电流注入条件？请解 释你是如何得到答案的。 （c）确定外加电压VA。 （d）确定空穴扩散长度LP。
练习：有一个常用的经验估计数字，即pn结正向压降 每增加0.06V，正向电流要增加10倍，而正向电流增加 1倍，pn结正向电压要增加18mV，试解之。
1、pn结结构
制备pn结二极管的主要工艺步骤简图
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。
PN结异常特性I-V曲线
（2）“靠背椅”击穿
• 当PN结加反电压时，在低压下场感应 被击穿。当IR上升到比正常值大得多的 饱和值，由于反向击穿曲线如靠背椅，
故称这种击穿称为“靠背椅”击穿。如图14。
“靠背椅”击穿产生的原因：
1为饱和沟道特性 2为非饱和沟道特性
图14 “靠背椅”击穿特性曲线
• a:表面杂质沾污或氧化层污染，形成表面沟道所致。 • b:外延层杂质补偿太大，热氧化时，由于二氧化硅有吸
• .下面列出集成电路管脚之间所测得的典型曲线。 对于出现异常的特性曲线可参照前面介绍的异常 PN结特性曲线的失效原因进行分析。
（1）开路
• 如两管脚出现如图30所示的特性曲线，说 明两管脚之间加电压后无电流呈开路状态。 在测试时，图示仪Y轴应放到uA档。
图30.IC两管脚开路特性曲线
（2）短路
• 图26为输出特性起始部 分倾斜度大，说明集电极 串联电阻大 。
• 饱和压降大的主要原因：图26饱和压降过大时的输出特性曲线 • 产生饱和压降大的原因较多，例如，引线孔
的氧化层未刻干净；蒸铝层太薄，合金化不 良；外延层太厚；管芯与底座接触不良等。
（6）输出特性漂移
• 其特点是随着测试时间 延长，β值增大。如图27
1．PN结异常特性曲线.
• 要区分异常特性曲线，首先要了解PN结正 常特性曲线，如图11、图12，凡是与PN 结正常曲线不同的一般统称为异常PN结曲 线。由于构成PN结的材料、结构、工艺不 同，对于相同的异常特性曲线，其失效机 理也不完全相同。
（1）软击穿
• 当PN结加反向偏压VR时，反向电流IR 在低压下就开始增加，在伏安特性曲线上， 没有明显的转折点。如图13. • 产生软击穿的原因: • A：PN结表面被水汽和杂质沾污，硅——二氧化硅表面
第六章pn结二极管IV特性
空穴的情况与电子类似
热平衡：电子的扩散流=漂移流
第六章pn结二极管IV特性
6.2.1 定性推导
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，p区一侧有 相同数目的电子进入耗尽层扫入n 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。
第六章 pn结
6.1 pn 结及其能带图 6.2 pn结电流电压特性 6.3 与理想情况的偏差*（了解）
第六章pn结二极管IV特性
6.1 pn 结及其能带图
据统计：半导体器件主要有67种，另外 还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成：
• pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
（4）载流子浓度
第六章pn结二极管IV特性
0偏
正偏
第六章pn结二极管IV特性
反偏
6.2.4 结果分析
讨论题：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化
第六章pn结二极管IV特性
例题2
将电压VA=23.03kT/q 加在一个突变二极管 上，且二极管n型和批p型区杂质浓度为 NA=1017cm3和ND=1016cm3.画出器件准中性 区内的多数和少数载流子浓度的log（p,n)与 x的关系图。在你的图中确定出离耗尽层边 界10倍和20倍扩散长度的位置
q VA
)(e kT
1)
Lp ND LN NA
第六章pn结二极管IV特性
6.2.4 结果分析
第六章pn结二极管IV特性
二极管基础知识---PN结工作原理
二极管基础知识---PN结工作原理展开全文晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结。
在二者的交界处出现电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。
半导体中的离子不能随意移动，因此不参与导电。
这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。
当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于动态平衡状态。
正向偏置当外界有正向电压偏置时，即电源的正极接P区，负极接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反,这时PN结内的电流由起支配地位的扩散电流所决定。
在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流。
当外加电压达到某一个数值后，再稍有变化，便能引起电流的显著变化，电流是随外加电压增加急速上升的。
这时，正向的PN结表现为一个很小的电阻。
反向偏置当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，流过PN结的电流由起支配地位的漂移电流所决定，漂移电流表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR。
由于少数载流子是由本征激发产生的，其浓度很小，所以IR是很微弱的，通常被称为反向饱和电流。
此时的PN结可以看作是一个很大的电阻。
PN结的伏安特性表达式肖特基方程的表达式式中ID——通过PN结的电流VD——PN结两端的外加电压VT——温度的电压当量，VT= KT/q = 0.026V.其中k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量。
常温下，VT ≈26mV。
Is——反向饱和电流，1.当VD>>0，且VD＞VT时， ID = Is e (VD / VT)对应右图的正向特性曲线部分2.当VD＜0，且|VD|>>VT时，ID≈-Is≈0对应右图的反向特性曲线部分从图上我们可以明显的看出PN结的单向导电性根据肖特基方程的伏安特性曲线PN结的击穿当外加的反向电压小于击穿电压VBR时，ID≈–Is 。
PN结及其特性详细介绍
P N结及其特性详细介绍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N型半导体和P型半导体。
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:扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。
由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场PN结的形成当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。
此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。
因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。
对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。
在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。
PN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散少数载流子飘移PN结的形成过程（动画）2.PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
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。
(1)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所示。
外加的正向电压有一部分降落在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。
PN结加正向电压时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
8.2 异质PN结的I-V特性及注入特性
第八讲8.2 异质PN结的I-V 特性及注入特性1、低势垒尖峰形异质结：势垒尖峰顶低于 p 区导带底，其能带结构如图示。
这种异质 pn 结的电流主要由扩散机制决定，用扩散模型来处理。
针对不同的异质结构，人们提出了多种异质结伏安特性的模型，下面我们以突变反型pN异质结不同的势垒峰型为例来分析。
施加一正向偏压 V 时，通过该异质结的电流密度为：p2n1n p 1020n1p20()exp()1D D qV J J J q n p L L k T ⎡⎤=+=+-⎢⎥⎣⎦式中：D n1 、L n1 分别为窄禁带半导体中电子的扩散系数和扩散长度； D p2 、L p2 分别为宽禁带半导体中空穴的扩散系数和扩散长度； n 10 和 p 20 分别为 p 型窄禁带半导体和 n 型宽禁带半导体的热平衡少子浓度。
上式表明，在正向偏压下，异质 pn 结的电流随电压按指数规律增加。
()p210D v p p200exp exp 1qD p q VE qV J L k T k T -+∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦c n 0exp E J k T ⎛⎫∆∝ ⎪⎝⎭v p 0exp E J k T ⎛⎫∆∝- ⎪⎝⎭式中的 J n 、J p 也可用 n 区、p 区多子浓度 n 20 、p 10 表示：△E c 和 △E v 都是正值，且比室温时的 k 0T 大得多，故有：通过异质结面的电流主要由电子电流构成，而空穴电流所占的比例很小。
()D c n120n n100exp exp 1q V E qD n qV J L k T k T --∆⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦J n >> J p从上式看到，J n 和 J p 主要由△E c 和 △E v 决定，即：一、异质结的I-V特性2、高势垒尖峰形异质结：n 区的势垒尖峰顶较 p 区导带底高得多， n 区扩散到结面处的电子，只有能量高于势垒尖峰的电子才能通过发射机制进入 p 区，可以采用热电子发射模型来处理。
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1)e
0 Dn
d 2 n p dx
2
n p
n
2 i
( x ' ' 0)
'
n p ( x '' ) 0 n n p ( x 0) (e NA
'' qV A kT
1)
x '' Ln x L n qV A kT x '' L n
''
p
区
n p ( x '' ) A1e
6.1理想二极管方程
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。
6.1.1 定性推导： 分析过程，处理方法 6.1.2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。分析实际与理想公
式的偏差 6.2 与理想情况的偏差
分析存在那些偏差与造成偏差的原因
理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结果符合较好，
与Si和GaAs p-n结的实验结果偏离较大。
实际p-n结的I-V特性： （1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值，曲线斜率q/2kT （2）正向电流较大时，实验值比理论计算值小（c段） （3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系
LN N A
（4）载流子电流
（4）载流子浓度
作业题7：理想二极管的I-V曲线如何随温度而变化
ln(I0)-T
作业6.11
热平衡
耗尽层边界
小注入条件成立：
少子在准中性区的分布
6.2 与理想情况的偏差
1。理想理论与实验的比较
击穿
Si pn结的I-V特性曲线
耗尽层中载流子的复 合和产生
6.2 与理想情况的偏差
正偏时的能带/电路混合图
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。
反偏时的能带/电路混合图
(5) 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 势垒区的电流为常数。
方法步骤：
（1）扩散方程
（2）边界条件
（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
n p ( x ) 0
pn ( x ) 0
nn ( x n ) p n ( x n ) n e n p n ( xn ) e Nd
2 i eVa kT
eVa 2 kT i
n p 0e
pn 0 e
eVa kT
欧姆接触边界条件
pn ( x ) 0
n p ( x ) 0
6.1.3严格推导
d 2 p n p n ' 0 DP ( x 0) 2 p dx p n ( x ' ) 0
6.1.2 定量求解方案
理想p-n结，满足以下条件的p-n结 （1）二极管工作在稳态条件下 （2）杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n0 -xp<x<xn (x)= -qNA -xp<x<0 qND 0<x<xn
（3）二极管是一维的
（4）小注入条件：p区：n<<pp0 n区：p<<nn0
6.1.1 定性推导
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
2.加正偏电压
qV A kT
ln(I ) ln(I 0 )
q VA kT
(2)反向饱和电流
D p ni2 D N ni2 I 0 qA( （ ) Ge管比硅管的饱和电流大 106 倍） L p N D LN N A D p ni2 I 0 qA （p n二极管） Lp N D
2 i
非对称结中，重掺杂一 DN n I 0 qA （pn 二极管） 侧的影响较小，可忽略
DN n J（ (e N x x p ) J N ( x 0) q LN N A
'' qV A D p ni2 D N ni2 I JA qA( )(e kT 1) L p N D LN N A
2 i
qV A kT
1)
6.1.4 结果分析
(1)正向偏置： I I 0 (e
2 A n p( x ' 0) i (e kT 1) ND qV
n
区
p( x ' ) A1e
'
x L P
'
A2 e
qV A kT
x' Lp x' L P (e ND
'
2 i
1)e
dp n qDp n J P ( x ) qDp (e ' LP N D dx
势垒高度降低，n型一侧有更多的 电子越过势垒进入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。
'' 2 i
x '' L n
A2 e
qV A kT
n n p ( x ) (e NA J n ( x ) qDn
'
1)e
d n p dx
''
qDn n (e Ln N A
2 i
1)e
正偏时的过剩少子浓度分布
A D p ni2 qV kT J（ x x ) J ( x ' 0 ) q ( e 1) p n p Lp N D
由pn结定律得耗尽层的边界条件
P区
n区
pn结定律：
np n e
2 i
EFn EFp kT
n e
eVa 2 kT i
边界条件：在空间耗尽层边界：
n p ( x p ) p p ( x p ) n e n n p ( x p ) e Na
2 i eVa kT
eVa 2 kT i eVa kT