1、2.1.1 PN結(jié)空間電荷區(qū),（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖,（b）接觸后的能帶圖,1,從費(fèi)米能級恒定觀點(diǎn)來看，熱平衡pn結(jié)具有統(tǒng)一費(fèi)米能級。 形成pn結(jié)之后，n區(qū)費(fèi)米能級和p區(qū)費(fèi)米能級統(tǒng)一。 可見， 是熱平衡時(shí)電子從 N區(qū)進(jìn)入到P區(qū)、空穴從P區(qū) 進(jìn)入到N區(qū)需要跨越的勢壘 高度。 由于這個(gè)原因，也把空間電 荷區(qū)稱為勢壘區(qū)。,2,3.耗盡層 -突變結(jié),突變結(jié)勢壘中的電場、電勢分布 耗盡層近似：在空間電荷區(qū)中，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這稱為耗盡近似。 雜質(zhì)完全電離：,3,在N側(cè)和P側(cè)泊松方程可以分別簡化為： 對于0 x xn： 取邊界條件：x=xn，,4,取x=xn處

2、，,5,對于單邊突變結(jié)P+N，空間電荷區(qū)兩邊的內(nèi)建電勢差為： 對于P+N，耗盡區(qū)的寬度為：,6,例2-1,硅突變PN結(jié)二極管N側(cè)與P側(cè)的摻雜濃度分別為Nd=1016cm-3和Na=41018cm-3。計(jì)算在室溫下零偏壓時(shí)的內(nèi)建電勢差、耗盡層寬度和最大電場。,7,2.2 加偏壓的PN結(jié),對于平衡的pn結(jié)，存在著一定寬度和勢壘高度的勢壘區(qū)，其中相應(yīng)出現(xiàn)了內(nèi)建電場； 每一種載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流相互抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)，EF處處相等。,8,2.2.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1.外加電壓下，pn結(jié)勢壘的變化及載流子的運(yùn)動(dòng) 正向偏壓：勢壘區(qū)寬度減小，高度降低；載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)。 由于

3、外加正向偏壓的作用使非 平衡載流子進(jìn)入半導(dǎo)體的過程 稱為非平衡載流子的電注入。,9,勢壘區(qū)：寬度增加，高度增高； 載流子：漂移大于擴(kuò)散。,當(dāng)pn結(jié)加上反向偏壓V時(shí)：,10,正向偏壓：勢壘區(qū)寬度減小，高度降低；擴(kuò)散大于漂移，向p區(qū)、n區(qū)注入少子。 反向偏壓：勢壘區(qū)寬度增加，高度增高；漂移大于擴(kuò)散，從p區(qū)、n區(qū)抽取少子。,11,外向偏壓時(shí)，pn結(jié)中電流的分布情況,通過pn結(jié)任一截面的總電流是相等的，只是對于不同的截面，電子電流和空穴電流的比例有所不同而已。,12,2. 外加直流電壓下，pn結(jié)的能帶圖 正向偏壓時(shí)：,13,反向偏壓時(shí)：,14,2.2.2 少數(shù)載流子的注入與輸運(yùn),1.擴(kuò)散近似 正向偏壓

4、下，注入到N(P)區(qū)的空穴(電子)，對于N(P)區(qū)來說是少數(shù)載流子，所以這種注入現(xiàn)象又稱為少數(shù)載流子的注入。 對于N側(cè)： 對于P側(cè)：,15,2.空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載流子濃度 加上偏下V，空間電荷區(qū)電勢差變成,16,當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣npnp0，pnpn0，這種現(xiàn)象稱為載流子正向注入； 當(dāng)PN結(jié)加上反向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣npnp0，pnpn0，這種現(xiàn)象稱為載流子正向注入；,17,注入P+N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布,18,2.3 理想pn結(jié)二極管的直流電流電壓特性,理想pn結(jié)模型： （1）忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻，外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上。 （2）半導(dǎo)體均勻摻雜。 （

5、3）小注入：即注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小很多。 （4）空間電荷區(qū)內(nèi)部存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。 （5）半導(dǎo)體非簡并。,19,計(jì)算理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式的步驟,1、根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級計(jì)算勢壘區(qū)邊界nn及pp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度； 2、以此非平衡少數(shù)載流子濃度為邊界條件，解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布； 3、將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴(kuò)散方程擴(kuò)散流密度少數(shù)載流子的電流密度； 4、將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加，得到理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式。,20,在N型中性區(qū)，穩(wěn)態(tài)時(shí) ，同時(shí)E=0，G=0： 解： 邊界條件：,21,22,正向

6、偏壓： 反向偏壓： I0稱為飽和電流,23,Shockley方程,正向偏壓情況下的PN結(jié),（a）少數(shù)載流子分布,（b）少數(shù)載流子電流,（c）電子電流和空穴電流,24,反向偏壓情況下的的PN結(jié),（a）少數(shù)載流子分布,（b）少數(shù)載流子電流,（c）電子電流和空穴電流,25,例2-2,26,PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式：,（1） （2） （3） （4）,27,2.4 空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流,低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢 偏壓升高： 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢 更高偏壓： 串聯(lián)電阻的影響,28,襯底摻雜濃度為1016cm3的 硅擴(kuò)散結(jié)的電流電壓特性,29,在正向偏壓下，從n區(qū)注入p區(qū)的電子和從p區(qū)注入

7、n區(qū)的空穴，在勢壘區(qū)內(nèi)復(fù)合了一部分，構(gòu)成了另一股正向電流，稱為勢壘區(qū)復(fù)合電流。 假定復(fù)合中心與本征費(fèi)米能級重合，令rp=rn=r，則： 當(dāng)n=p時(shí)，U最大：,2.4.1 正偏復(fù)合電流,30,越小，電壓越低，勢壘去復(fù)合電流的影響越大； 用硅制作的PN結(jié)，在小注入情況下，正向電流可能由勢壘區(qū)的復(fù)合電流控制；鍺PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流的影響可以忽略不計(jì)。,31,2.4.2 反偏產(chǎn)生電流,反向偏壓下，勢壘區(qū)內(nèi)電場加強(qiáng)，勢壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率，具有凈產(chǎn)生率，從而產(chǎn)生另一部分反向電流，稱為勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流。,32,2.5 隧道電流,產(chǎn)生隧道電流的條件: （1）費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的

8、內(nèi)部； （2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率； （3）在相同的能量水平上在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空的狀態(tài)。 當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡并半導(dǎo)體時(shí)，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。,33,由重?fù)诫s的簡并的p區(qū)和n區(qū)形成的pn結(jié)，由于與隧道效應(yīng)密切相關(guān)，稱為隧道結(jié)。,34,35,隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性 （1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)的多數(shù) 載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。 （2）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，由于溫度對多子的影響小，使隧道二 級管的工作溫度范圍大。 （3）由于

9、隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子 渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道 二級管能夠應(yīng)用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電 路以及低噪音微波放大器。 由于應(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二 極管的利用受到限制 。,36,2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系,當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí) ：,式中ni隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（0.3V）就使Id占優(yōu)勢。,有,37,當(dāng)PN結(jié)處于反向偏置時(shí)， ，,隨著溫度增加，ni 增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢。 反向偏壓情況下，二極管I-V特性的溫度

10、效應(yīng)：,相對來說，括號內(nèi)的參量對溫度變化不靈敏。,38,對T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以I0，得到,在正向偏置情況下，取 ，導(dǎo)出,得到：,和,39,在正向偏置情況下取 ， 又 ，代入上式得 類似地得到,40,和,41,硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系:,圖2-15 硅平面二極管電流 電壓特性的溫度效應(yīng),圖2-16 在硅PN結(jié)二極管中反 向飽和電流與溫度的關(guān)系,42,2.7 耗盡層電容、求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管,2.7.1 C-V關(guān)系 反向偏壓： 正向偏下：,43,2.7.2 求雜質(zhì)分布 在雜質(zhì)分布未知的PN結(jié)中，可以利用電容電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質(zhì)分布，此稱求雜質(zhì)分布。,式中N(W)是在

11、空間電荷層邊緣W處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：,電場增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：,44,C即為耗盡層電容介質(zhì)厚度為W的平板電容。,求雜質(zhì)分布的程序：,在不同反偏壓下測量電容：,45,雜質(zhì)分布的程序： 求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度W： 畫出1/C2相對V的曲線。 從此1/C2曲線中取 并將其結(jié)果代入式計(jì)算出N(W)。 畫出完整的雜質(zhì)分布N(W) 。 注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。,46,由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果:,47,48,例2-3 考慮在 的襯底上通過硼的兩步擴(kuò)散制成的

12、PN結(jié)。硼的表面濃度為 ，結(jié)深為5m。假設(shè)自建電勢為0.8V，求在5V反偏壓下的結(jié)電容。 解：因?yàn)?所以有 此外,49,2.7.3 變?nèi)荻O管 根據(jù),可見反向偏置的PN結(jié)可以作為電容使用在LC調(diào)諧電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。,結(jié)型二極管的電容電壓方程可寫成 ：,50,2.8 PN結(jié)二極管的頻率特性,器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。在小信號工作時(shí)，信號電流與信號電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說，就是器件內(nèi)部的載流子分布的變化跟得上信號的變化。,若外加交流信號電壓 ，則滿足小信號條件,51,52,對于N型中性區(qū)，空穴分布為： 其中第一項(xiàng)代表穩(wěn)態(tài)分布，第二項(xiàng)代

13、表與時(shí)間有關(guān)的分布。 滿足連續(xù)性方程。 由于 因此： 其中：,求邊界條件： （1）x=xn處： 其中： 對于小信號： 其中：,53,邊界條件： x=xn處的空穴電流為： 同理，注入到P區(qū)的電子的交流分量為：,54,PN結(jié)的總交流電流為：,55,交流導(dǎo)納：Y,對于P+N二極管， 若 P+N二極管正向電流直流部分： 二極管直流電導(dǎo)： PN結(jié)擴(kuò)散電容：,56,二極管的等效電路,在許多應(yīng)用中，總是根據(jù)在使用條件下半導(dǎo)體器件各部分的物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定的電路來達(dá)到等效器件的功能，這種電路叫做等效電路。 PN結(jié)小信號交流等效電路如圖所示。,57,2.9 PN結(jié)二極管的開關(guān)特性,

14、2.9.1 電荷貯存和反響瞬變 PN結(jié)二極管的開關(guān)作用： PN結(jié)二極管處于正向偏置時(shí)，允許通過較大的電流，處于反向偏置時(shí)通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時(shí)二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時(shí)的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)?？梢娊Y(jié)二極管能起到開關(guān)作用。,58,PN結(jié)的反向瞬變:電流和電壓的延遲現(xiàn)象。,59,PN結(jié)二極管的電荷貯存效應(yīng)： PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時(shí)，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴(kuò)散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷貯存效應(yīng)。 在一般情況下，可以把時(shí)間ts規(guī)定為反向瞬變的結(jié)束。要在PN結(jié)二極管中得到高的開關(guān)速度，少數(shù)載流子壽命應(yīng)當(dāng)很短，此外，在電路設(shè)計(jì)時(shí)

15、，需要有大的反偏電流和小的正偏電流。在實(shí)際應(yīng)用中，對用于制造計(jì)算機(jī)的二極管，摻金是一種縮短少子壽命的有效方法。,60,2.9.2 階躍恢復(fù)二極管,反向瞬變波形可以通過在二極管中引入一自建場進(jìn)行修正。例如若在 二極管輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度為 則，自建電場 為 于是注入的非平衡少子空穴既有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也有在自建場作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。自建場沿著 方向，漂移電流也沿 方向當(dāng)二極管由正向偏置轉(zhuǎn)換到反向偏置之后，注入少子空穴開始反向流向空間電荷區(qū)，而此時(shí)自建場 將加速這種流動(dòng)。,61,PN結(jié)擊穿：當(dāng)加在PN結(jié)上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結(jié)就會(huì)產(chǎn)生很大的反向電流，這種現(xiàn)象叫做結(jié)擊穿。擊穿過程并非具有破壞性的，只要最大電流受到限制，它可以長期地重復(fù)。 擊穿機(jī)制： 齊納擊穿：齊納提出在高電場下耗盡區(qū)的共價(jià)鍵斷裂產(chǎn)生電子和空穴，即有些價(jià)電子通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，從而形成反向隧道電流。齊納擊穿發(fā)生在低電壓情況下，比如硅PN結(jié)低于4伏特情況下發(fā)生的擊穿。 雪崩擊穿：對于高電壓擊穿的結(jié)，例如，在硅中大于的擊穿，雪崩機(jī)制是產(chǎn)生擊穿的原因。,2.10 P結(jié)擊穿,62,1.雪崩擊穿 繁殖載流子的方式稱為載流子的倍增效應(yīng)。 由于倍增效應(yīng)，使勢壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，