學(xué)習(xí)資料：ppt課件，半導(dǎo)體物理學(xué)電子書（劉恩科版），半導(dǎo)體器件電子書（陳星弼、張慶中）
在一塊n型(或p型)半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?如合金法、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等)把p型(或n型)雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在二者的交界面處就形成了p-n結(jié)。
n型區(qū)中施主雜質(zhì)濃度為ND，而且均勻分布；p型區(qū)中受主雜質(zhì)濃度為NA也是均勻分布。在交界面處，雜質(zhì)濃度由NA(p型)突變?yōu)镹D(n型)，具有這種雜質(zhì)分布的p-n結(jié)稱為突變結(jié)。
在n型單晶硅片上，通過氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝制得的p-n結(jié)。其雜質(zhì)分布由擴(kuò)散過程及雜質(zhì)補(bǔ)償決定。在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的,通常稱為緩變結(jié)。
在擴(kuò)散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用x = xj；處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)。
但是對于高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)，xj處的斜率αj很大，這時擴(kuò)散結(jié)用突變結(jié)來近似。
p-n結(jié)的雜質(zhì)分布一般可以歸納為兩種情況，即突變結(jié)和線性緩變結(jié)。
單獨的n型和p型半導(dǎo)體是電中性的。當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時，由于它們之間存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運動，對于p區(qū)，空穴離開后，留下了不可動的帶負(fù)電荷的電離受主，這些電離受主，沒有正電荷與之保持電中性。因此，在p-n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個負(fù)電荷區(qū)。同理，在p-n結(jié)附近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個正電荷區(qū)，通常就把在p-n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷。它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。
空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場，稱為內(nèi)建電場。
隨著擴(kuò)散運動的進(jìn)行,空間電荷逐漸增多,空間電荷區(qū)也逐漸擴(kuò)展;同時,內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng),載流子的漂移運動也逐漸加強(qiáng)。在無外加電壓的情況下,載流子的擴(kuò)散和漂移最終將達(dá)到動態(tài)平衡,即從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散過去多少電子,同時就將有同樣的多電子在內(nèi)建電場作用下返回n區(qū)。因而電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等、方向相反而互相抵消。對于空穴,情況完全相似。因此,沒有電流流過p-n結(jié)。或者說流過p-n結(jié)的凈電流為零。這時空間電荷的數(shù)量一定,空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展,保持一定的寬度,其中存在一定的內(nèi)建電場。一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)(簡稱為平衡p-n結(jié)）。
耗盡近似：在處理PN結(jié)的問題時,常常假設(shè)空間電荷區(qū)內(nèi)的自由載流子巳完全擴(kuò)散掉,即完全耗盡,電離雜質(zhì)構(gòu)成空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的唯一來源。這種假設(shè)被稱為“耗盡近似”。
中性近似：與此相對應(yīng)的是,在耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體中可以采用“中性近似”,即認(rèn)為耗盡區(qū)以外區(qū)域中的多子濃度仍等于電離雜質(zhì)濃度,因此這部分區(qū)域保持了完全的電中性。
耗盡區(qū)中從與P區(qū)中性區(qū)的交界面到與N區(qū)中性區(qū)的交界面之間的電位差稱為擴(kuò)散電勢,因為它來源于內(nèi)部載流子的擴(kuò)散。也可稱為內(nèi)建電勢,因為它不是由外加電壓引起的。
耗盡區(qū)主要分布在低摻雜的一側(cè),耗盡區(qū)寬度與最大電場強(qiáng)度也主要取決于低摻雜一側(cè)的摻雜濃度。低摻雜一側(cè)的摻雜濃度越低,則耗盡區(qū)越寬,最大電場強(qiáng)度越小。
當(dāng)對PN結(jié)外加電壓時,會有電流流過。電流與外加電壓的關(guān)系不遵從歐姆定律。外加正向電壓(P區(qū)接正,N區(qū)接負(fù))時,如果電壓達(dá)到一個被稱為正向?qū)妷篤F的數(shù)值,則會有明顯的電流流過,而且當(dāng)電壓再稍增大時,電流就會猛增;外加反向電壓時,電流很小,而且當(dāng)反向電壓超過一定數(shù)值后,電流幾乎不隨外加電壓而變化。
外加正向電壓時載流子的運動情況
勢壘區(qū)中電場的減小,打破了漂移作用和擴(kuò)散作用之間原來的平衡,使載流子的漂移作用減小,擴(kuò)散作用占據(jù)優(yōu)勢。或者說,平衡時的勢壘高度qVh正好可以阻止載流子的擴(kuò)散,那么當(dāng)外加正向電壓使勢壘高度降為q(V一V)后,就無法再阻止載流子的擴(kuò)散,于是就有電子從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū),有空穴從Р區(qū)擴(kuò)散到N區(qū),從而構(gòu)成了流過PN結(jié)的正向電流。
空穴擴(kuò)散電流Jdp
電子擴(kuò)散電流Jdn
勢壘區(qū)復(fù)合電流Jr
外加反向電壓時載流子的運動情況
當(dāng)對PN結(jié)外加反向電壓(-V)時,勢壘高度將由原來的qVbi;,增加到q(Vbi+|V|),勢壘區(qū)內(nèi)的電場增強(qiáng),勢壘區(qū)寬度增大。
勢壘區(qū)中電場的增強(qiáng),或者說勢壘高度的提高,同樣也破壞了漂移作用和擴(kuò)散作用的平衡。由于勢壘增高,結(jié)兩邊的多數(shù)載流子要越過勢壘區(qū)而擴(kuò)散到對方區(qū)域變得更為困難,多子的擴(kuò)散作用大大削弱。應(yīng)當(dāng)注意,“勢壘增高"是對多子面言的。對各區(qū)的少子來說,情況恰好相反,它們遇到了更深的勢阱,因此反而更容易被拉到對方區(qū)域去。
空穴擴(kuò)散電流Jdp
電子擴(kuò)散電流Jdn
勢壘區(qū)產(chǎn)生電流Jg
外加正向電壓時
從P區(qū)注入N區(qū)的非平衡空穴,其濃度在N區(qū)巾隨距離而指數(shù)式衰減。這是因為非平衡空穴在N區(qū)中一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合的緣故。衰減的特征長度就是空穴的擴(kuò)散長度Lp。每經(jīng)過一個Lp的長度,空穴濃度降為1/e。經(jīng)過3至5個Lp,后,空穴濃度即降到原值的約5%至0.7%以下。
外加反向電壓時
N區(qū)中的空穴濃度在勢壘區(qū)邊界處最低,隨距離而指數(shù)式增加,在足夠遠(yuǎn)處恢復(fù)為平衡少子濃度。這是因為勢壘區(qū)邊上的少子空穴全部被勢壘區(qū)中的強(qiáng)大電場拉向Р區(qū),所減少的空穴由N區(qū)內(nèi)部通過熱激發(fā)產(chǎn)生并擴(kuò)散過來的少子所補(bǔ)充。.
雖然PN結(jié)的正向電流與正向電壓成指數(shù)關(guān)系,但由于I的值實在太小,所以當(dāng)正向電壓較小時,正向電流也很小,以至于PN結(jié)似乎并未導(dǎo)通。只有當(dāng)正向電壓增加到某一個值以后,正向電流才迅速上升到比較明顯的數(shù)值。通常將正向電流達(dá)到某一個測試值(一般在幾百微安到幾毫安范圍內(nèi))時的電壓,稱作正向?qū)妷夯蛘蛑惦妷?，用VF表示。鍺PN結(jié)的VF約為0.25 V左右,硅PN結(jié)的VF約為0.7V左右。
在一般的反向電壓下,PN結(jié)的反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大到某一值VB時,反向電流會突然變得很大。這種現(xiàn)象叫做PN結(jié)的反向擊穿,VB稱為擊穿電壓。
引起反向擊穿的機(jī)理主要有雪崩倍增、隧道效應(yīng)和熱擊穿三種。
當(dāng)載流子(電子或空穴)在很高的電場下運動時,從電場E得到的能量為
l代表兩次碰撞之間的平均自由程。
雪崩擊穿
熱擊穿
對PN結(jié)外加反向電壓V時,就有反向飽和電流l流過,造成的功率損耗為
由于外加反向電壓主要降在PN結(jié)的勢壘區(qū)上,所以PN結(jié)損耗的功率,實際上是由載流子在勢壘區(qū)中的電場下加速,再通過碰撞把能量交給晶格,使晶格的熱能增加,從而使PN結(jié)的溫度升高。PN結(jié)的溫度用結(jié)溫Tj來表示。
PN結(jié)的勢壘電容
當(dāng)外加電壓發(fā)生△V的變化時,空間電荷區(qū)(即勢壘區(qū))寬度發(fā)生變化,使冶金結(jié)兩側(cè)的空間電荷也發(fā)生相應(yīng)的(＋△Q)與( -△Q)的變化?？臻g電荷區(qū)中電荷的這種變化,顯然是由多子進(jìn)入或離開空間電荷區(qū)引起的,或者說是多子電流對空間電荷區(qū)充、放也的結(jié)果。將
稱為PN結(jié)的勢壘區(qū)微分電容,簡稱為勢壘電容。它是微分電荷與微分電壓之比。
(-△Q)與( +△Q)雖然由空間分布的電荷所構(gòu)成,但由于△xp與△xn遠(yuǎn)小于勢壘區(qū)總寬度xd,所以可將這些電荷看做集中在無限薄層中的面電荷。于是,PN結(jié)就像一個普通的平行板電容器一樣。若PN結(jié)的結(jié)面積為A,那么勢壘電容就相當(dāng)于一個極板面積為A,極板間隔為xd,板間介質(zhì)的介電常數(shù)為半導(dǎo)體介電常數(shù)
PN結(jié)二極管上除了有以前介紹過的勢壘電容CT外,還有本小節(jié)介紹的增量電導(dǎo)gD和擴(kuò)散電容CD。三者是并聯(lián)關(guān)系。另外,實際PN結(jié)二極管上還并聯(lián)著漏電導(dǎo)g1,串聯(lián)著由中性區(qū)體電阻、歐姆接觸電阻及引線電阻形成的寄生電阻rs。前三個元件是小信號參數(shù),后兩個寄生元件則無論直流或小信號下均存在。
PN結(jié)的開關(guān)特性
由于PN結(jié)二極管具有單向?qū)щ娦?所以可當(dāng)做開關(guān)使用。當(dāng)二極管處于正向?qū)顟B(tài)時,相當(dāng)于開關(guān)閉合,稱為“開”態(tài)。當(dāng)二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)時,相當(dāng)于開關(guān)斷開,稱為“關(guān)”態(tài)。作為開關(guān)使用的二極管稱為開關(guān)二極管。
理想開關(guān)應(yīng)具有如下特性。直流特性方面，“開”態(tài)時電壓應(yīng)為零,“關(guān)”態(tài)時電流應(yīng)為零。這樣,無論開態(tài)還是關(guān)態(tài),直流功耗都為零。瞬態(tài)特性方面,打開的瞬間應(yīng)立即出現(xiàn)定態(tài)電流，關(guān)斷的瞬間電流應(yīng)立即消失。
PN結(jié)的瞬態(tài)開關(guān)特性
反向恢復(fù)過程
