第六章 p-n结
6.1 pn结及其能带图 6.2 pn结电流电压特性 6.3 pn结电容 6.4 pn结击穿 6.5 pn结隧道效应
6.1 pn结及其能带图
冶金结＿P区和n区的交界面
突变结 线性缓变结 超突变结
突变结＿均匀分布，交界处突变
6.1 pn结及其能带图 基本结构
PN结的形成
空间电荷区＝耗尽区 （没有可自由移动的净电荷，高阻区）
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
x xp时， np x np x np0
np0
exp
eV f kT
1 exp
xp x
Ln
x
xn时，
pn x
pn x
pn0
pn0
exp
eV f kT
1
exp
xn Lp
x
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
(1) 正向偏置 （ Forward bias） 外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场， 因而使势垒两端的电势差由VD减小为（VD-Vf），相 应地势垒区变薄。
外加电场削弱了漂 移运动，使:
漂移<扩散
这种由于电场作用而使 非平衡载流子进入半导 体的过程称为电注入。
(2)反向偏置 （Reverse bias）
外加电场Vr与内建电场方向一致 VD增大为（VD+Vr），相应地势垒区加 宽
nn0
qVD
e k0T
np0
qVD ln nn0
D
k0T q
ln
nn0 np0
k0T q
ln
nn0 pp0 ni2
非简并 , 全电离
nn0 N D p p0 N A
VD
k0T q
ln
NDNA ni2
* 势垒高度~ ND、NA
6.1 pn结及其能带图 空间电荷区宽度
4 、将两种载流子扩散电流密度相加，得到理想p-n 结电流电压方程。
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
1、边界条件
边界条件的确定
p区内：
np
ni
exp
EFn EFi kT
np
xp
pp
xp
ni2
exp
eVf kT
pp
ni
exp
EFi EFp kT
ni2 pp0np0 pp xp np0
理想关系
J Jn (xP ) J P (xn )
反向饱和 电流密度
q
np0 Dn Ln
pn0 D p Lp
e
qV f k0T
qVf
1
Js
e
k0T
1
-------肖克莱方程
一般
qVf k0T
qV f
J f Jse k0T
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
物理学小结
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
计算流过p-n结电流密度的步骤：
1、根据费米能级计算耗尽区边界处注入的过剩少子 浓度。
2、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求 解扩散区中载流子连续性方程——双极输运方程。 得到过剩载流子分布表达式。
3、将过剩少子浓度分布带入扩散电流方程得到扩散 电流密度。
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
理想假设
1、耗尽层突变近似。空间电荷区的边界存在突变，且 耗尽区以外的半导体区域是电中性的。
2、载流子统计分布复合麦克斯韦-玻尔兹曼近似。 3、复合小注入条件。 4(a)、pn结内的电流值处处相等。 4(b)、pn结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。 4(c)、耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。
突变结
N Axp ND xn
6.1 pn结及其能带图 载流子分布
载流子分布( Carrier distributions)
np0
qVD qV ( x)
n x nn0e k0T
n( x) nn0
qVD qV ( x)
p x pn0e k0T
pp0
pn0
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
6.1 pn结及其能带图 空间电荷区
空间电荷区 Space charge region
阻挡层 耗尽区 Depletion region
PN结的形成.swf
6.1 pn结及其能带图 能带图
EFn高于EFp 表明两种半导 体中的电子填 充能带的水平 不同。
6.1 pn结及其能带图 能带图
内建电势差 (The Contact Potential) VD
(1) 正向偏置 （ Forward bias） 能带
np0
nn0
Space charge region Diffusion region Neutral region
(1) 正向偏置 （ Forward bias） 电流
P区空穴向n区扩散——空穴扩散电流 n区电子向P区扩散——电子扩散电 这流两。股电流之和就是正向偏置下流过p-n结的电流。
平衡时
qVD (EC )P (EC )n (EV )P (EV )n
EFn EFp
6.1 pn结及其能带图 内建电势差
n型半导体中的电子浓度为 p型半导体中的电子浓度为
EFn Ei
nn0 nie k0T
EFp Ei
np0 nie k0T
EFn EFp
n e n0
k0T
np0
平衡时
p区内少子电子浓度： np
xp
n
p0
exp
eV f kT
n区内少子空穴浓度：
pn xn
pn0
exp
eVf kT
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
6.2 pn结电流 理想电流电压关系
2、少数载流子分布——解双极输运方程
小注入n型半导体双极输运方程：
当x>xn时，E=0，且令g‘=0，pn结处于稳态。
根据电流连续性原理，通过p-n结中任一截面 的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子 电流和空穴电流的比例有所不同而已。
J Jn Jp
考虑-xp截面：
J Jn (xP ) JP (xP )
忽略了势垒区载流子 的产生和复合：
J Jn (xP ) J P (xn )
正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布
3、理想pn结电流
Jp
xn
eDp
dpn x
dx
x xn
eDp
d
pn
dx
x
x xn
Xn处少子空穴扩散电流密度：
J p xn
eDp pn0 Lp
exp
eV f kT
1
-Xp处少子电子扩散电流密度：
Jn
xp
eDn n p 0 Ln
exp
eV f kT
1
6.2 pn结电流 理想电流电压关系