IR I0 (eU UT 1)
I0 为反向饱和电流， 在300 K时，UT≈26 mV
随着反向电压U的增大，IR 将趋于一个恒定值 -I0
因 少子浓度与本征载流子浓度成正比，并且随温度升高而 快速增大。所以，反向扩散电流对温度十分敏感，随温度 升高而快速增大。
这时 PN结处于截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻 值很大, 高达几百千欧以上。
2、外加多子正向注入效应
非平衡不同区的少子浓度分布
比较：平衡PN结
电阻很小
两边的多子易 通过势垒区
e
空穴

p
电子
e
电子

空穴
扩散长度
注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方 式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散， 同时进行复合，最终形成一个稳态分布。
3、正向扩散区边界少子浓度和分 布
6. 温度的影响；——少子的影响增强(本征激发)
1. 正向PN结空间电荷区复合电流； 正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入， 载流子浓度高于平衡值;
复合地点不同
浓度相差很大 复合影响不显著
电子和空穴浓 度基本相等 复合影响显著
浓度相差很大 复合影响不显著
耗尽区或耗尽层——空间电荷区的载流子已基本被耗尽；
Depletion layer
空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;
2.2 PN结的非平衡双向直流特性
PN结非平衡状态——在PN结上施加偏置(Bias)电压 ； PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased)， 否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased)，并假设：
2、能带状态图
接触时
各自独立时
平衡后
没有外加电压，费米能级应处处相等； 即 ：两个区的费米能级拉平 。
电场方向是电势降落的方向； 电场
定义电势能：E qU q e
能带图是按电子能量的高低画 E eU
P区电子的电势 能比N区的高
势能坡垒
空间电荷区
PN结接触电势差
在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势 能高的P区运动时，必须克服这个势能“高坡”
Forward-active regime
比较：平衡PN结
扩散
正向注入 复合
e 漂移
扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。 PN结内任意截面的电流是连续的。
5、PN结的正向电流-电压关系
PN结内各处的电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都 一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 X N 处的电子电流和 空穴电流，就是总的PN结电流：
—— PN结势垒
3、PN结 接触电势差 For n-type region
n0

Nc
exp
Ec

kT
EFn



n
i
exp


EFn kT
Ei



ND
EFn

Ei

KT
ln
ND ni
For p-type region

p0 Nv exp
I (X N处的电子漂移电流) X N处的空穴扩散电流
= (X P处的电子扩散电流) X N处的空穴扩散电流
=In ( X P ) I p X N
N区非平衡少子-空穴的分布函数为： x p(x) p(0)e Lp
空穴扩散电流密度为：
jp (x)

qDp
电阻率越低，接触电势差UD越大； 禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。
NA=1017/cm3
ND=1015/cm3
室温下，硅的 UD = 0.70 V， 锗的UD = 0.32 V
2.1.3 平衡PN结及两侧的载流子浓度分布
多子
n:电子
p:空穴
少子
自建电场 空间电荷区
扩散区
多子
分布按指数规律变化 少子
In
XP

Aqnp0
Dn Ln
qU
(e KT
1)
其中：Dn 电子扩散系数
Ln 电子扩散长度
将In (X P )和I p X N 相加，得到PN结的总电流：
I

Aq

np0 Dn Ln

pN 0 Dp Lp
qU (eKT
1)
若假设Aq

n
p0 Dn Ln
Low-level injection
2.2.1 PN结的正向偏置特性 1、正偏能带变化图
E// E E E
E
非平衡
势垒宽度变窄
外加电场
电场被削弱 势垒高度降低
平衡时
正偏使势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡，载流子的扩 散作用超过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN 结的正向电流。
PN结与二极管原理
2.1 平衡PN结 2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布 2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图 2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布 2.2 PN结的直流特性 2.2.1 PN结的正向特性 2.2.2 PN结的反向特性 2.2.3 PN结的伏安特性 2.2.4 影响PN结伏安特性的因素 2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度 2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度 2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度 2.4 PN结的击穿特性 2.4.1 击穿机理 2.4.2 雪崩击穿电压 2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素
因此，I0

Aq
ni 2 NA
Ln
n

ni 2 ND
Lp
p

其中：n p 区非平衡电子寿命 p N 区非平衡空穴寿命
正向电流-电压关系
I0

Aq
ni 2 NA
Ln
n

ni 2 ND
Lp
p

qU
I I0 (e kT 1)
I0 是不随外加正偏压而变化的。
EFp Ev kT


ni exp


Ei EFp kT
NA
Ei

EFp

KT
ln
NA ni
即有
UD

kT q
ln
ND N A ni2
式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度；
UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在 材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。 在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的
Reverse regime
2
扩散
本质
e 少子
扫过
电子电流 漂移
边界
边界
空穴电流
少子
IR
多子被阻挡
电子电流
空穴电流
反向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。 一般情况下，少子浓度都很小，因而反向电流也很小。
反向饱和电流
反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为
令 UT kT q

pN 0Dp Lp


I0
qU
I I0 (eKT 1)
因为Aq

np0 Dn Ln

pN 0Dp Lp

Aq

ni 2 PP0
Dn Ln

ni 2 nN 0
Dp Lp

且N A Pp0，ND nNO，Ln Dn n，LP DP P
1016/cm3
缓变结
结深
与突变结相似
2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图
1、空间电荷区的形成
电子为少子
接触前
空穴为多子
电子为多子 空穴为少子
相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓 度差，各区中的多子发生扩散，并复合、消耗；
P区
N区
P
耗尽层空 间电荷区
空穴
电子
扩散运动方向
自建场
空穴
电子
N
)

qAp(0)
Dp Lp
=AqpN 0
Dp Lp
qU
(e KT
1)
其中：Dp 空穴扩散系数
Lp 空穴扩散长度
qU
同理，把注入P区边界 X P 的非平衡电子的浓度 np0 (eKT 1) ，乘
以电子的扩散速度 Dn 、电量 q 和PN结的截面积 A ,便可 Ln
以得到在 X P 处注入 p 区的电子扩散电流 I p X N ：
2.2.3 PN结的正、反向V-A特性 将PN结的正向特性和反向特性组合起来
反向饱和电流
Eg /q
图有问题！ 急剧增大
正向电流很小
导通电压UTH（称门槛电压）——正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压——正常工作区的边界；
室温时，锗PN结的导通电压约为0.25 V，硅PN结为0.5 V。
单向导电性
p( x) dx

p(0)
qDp Lp
x
e Lp
其中，负号表示载流子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散
即载流子的浓度随 x 增加而减小，在 x 0处（ X N 的边界
处）空穴电流密度为：
jp (0)
j
p
(
X
N
)

p(0)
qDp Lp
则I p X N :
I
p

X
N


AjP
(X
交界区域就形成了空间电荷区（也叫空间电荷层、耗尽层） 空间电荷区中，形成一个自建电场