第八章 PN结二极管

1、第八章第八章 PN结二极管结二极管 2014年年11月月7 第八章第八章PNPN结二极管结二极管 n8.1 PN8.1 PN结电流结电流 n8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 n8.3 8.3 产生、复合电流产生、复合电流 n8.4 8.4 结击穿结击穿 n8.6 8.6 隧道二极管隧道二极管 2 2 本章主要学习本章主要学习PN结在外加正向偏置电压条件下，结在外加正向偏置电压条件下，PN结的结的 电流电流-电压特性。电压特性。 8.1 PN8.1 PN结电流结电流8.1.18.1.1定性描述定性描述 3 3 图图8.1(a)8.1(a)零偏；零偏；(b)(b)反偏；反偏；(

2、c)(c)正偏条件下的正偏条件下的pnpn结及其对应的能带图结及其对应的能带图 加偏压后，势垒区两侧边界处载流子分布仍服从玻尔兹曼分布。加偏压后，势垒区两侧边界处载流子分布仍服从玻尔兹曼分布。 注意费米能级的变化！注意费米能级的变化！ 8.1 pn8.1 pn结电流结电流理想电流电压关系理想电流电压关系 4 4 8.1 pn8.1 pn结电流结电流理想电流电压关系理想电流电压关系 n理想假设理想假设 1 1、耗尽层突变近似耗尽层突变近似: :空间电荷区的边界存在突变，且耗尽区以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外的半导体区域是电中性的。的。 2 2、载流子统计分布符合

3、麦克斯韦、载流子统计分布符合麦克斯韦- -玻尔兹曼近似。玻尔兹曼近似。 3 3、复合小注入条件。、复合小注入条件。 4(a) PN4(a) PN结内的电流值处处相等。结内的电流值处处相等。 (b) PN (b) PN结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数。 (c) (c) 耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。 5 5 8.1 8.1 PNPN结电流结电流 8.1.28.1.2理想电流电压关系理想电流电压关系 n计算流过计算流过PNPN结电流密度结电流密度的步骤：的步骤： 1 1、根据费米能级计算、根据费米能级计算耗

4、尽区边界处耗尽区边界处注入的过剩少子浓度。注入的过剩少子浓度。 2 2、以、以边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件边界处注入的过剩少子浓度作为边界条件，求解扩散区，求解扩散区 中载流子连续性方程中载流子连续性方程双极输运方程。得到双极输运方程。得到过剩载流子分过剩载流子分 布表达式布表达式。 3 3、将、将过剩少子浓度分布过剩少子浓度分布带入带入扩散电流方程扩散电流方程得到扩散电流密度。得到扩散电流密度。 4 4、将、将两种载流子扩散电流密度相加两种载流子扩散电流密度相加，得到理想，得到理想PNPN结电流电压结电流电压 方程方程。 6 6 8.1 8.1 PNPN结电流结电流8.1.28.1.

5、2理想电流电压关系理想电流电压关系 n1 1、边界条件、边界条件 7 7 n边界条件的确定边界条件的确定 p p区内：区内： 0 exp a ppp eV nxn kT p p区内少子电子浓度：区内少子电子浓度： n n区内少子空穴浓度：区内少子空穴浓度： 0 exp a nnn eV pxp kT 8 8 kT eV nn kT eV NN n n NN VV bi np N n nNn bi da i i da tbi a i pdn exp expln 00 , 2 2 2 00 少子电子浓度区内空间电荷区边缘的 正偏时 p kT eV nn kT eV kT eV n kT VVe n

6、n a pp abi n abi np exp expexp )( exp 0 00 p p区内少子电子浓度：区内少子电子浓度： n n区内少子空穴浓度：区内少子空穴浓度： 0 exp a ppp eV nxn kT p p区内少子电子浓度：区内少子电子浓度： n n区内少子空穴浓度：区内少子空穴浓度： 0 exp a nnn eV pxp kT 0 exp a ppp eV nxn kT p p区内少子电子浓度：区内少子电子浓度： n n区内少子空穴浓度：区内少子空穴浓度： 8.1 8.1 PNPN结电流结电流理想电流电压关系理想电流电压关系 9 9 PNPN结加正向偏置电压时，结两侧边缘处

7、的过剩载流子比平衡时增加几个数量级；结加正向偏置电压时，结两侧边缘处的过剩载流子比平衡时增加几个数量级； PNPN结加反向偏置电压时，结两侧边缘处少子浓度低于热平衡值结加反向偏置电压时，结两侧边缘处少子浓度低于热平衡值。 8.1 PN8.1 PN结电流结电流8.1.48.1.4少数载流子的分布少数载流子的分布 n2 2、少数载流子分布、少数载流子分布解双极输运方程解双极输运方程 小注入小注入n n型半导体双极输运方程：型半导体双极输运方程： 当当xxxxn n时，时，E=0E=0，且令，且令g=0g=0，PNPN结处于稳态。结处于稳态。 1010 8.1 PN8.1 PN结电流结电流 8.1.

8、48.1.4少数载流子的分布少数载流子的分布 00 exp1 exp p a ppppp n xx eV xxnxnxnn kTL 时， n00 exp1 exp an nnnn p eVxx xxpxpxpp kTL 时， 1111 8.1 PN8.1 PN结电流结电流8.1.5 8.1.5 理想理想PNPN结电流结电流 n3 3、理想、理想PNPN结电流结电流 n n pnp xx dpx JxeD dx 0 exp1 pn a pn p eD p eV Jx LkT n n p x x dpx eD dx (a)x(a)xn n处少子空穴扩散电流密度：处少子空穴扩散电流密度： 0 exp

9、1 np a np n eD n eV Jx LkT (b)-x(b)-xp p处少子电子扩散电流密度：处少子电子扩散电流密度： 1212 1exp)()( 00 kT eV L peD L peD xJxJJ a n pn p np pnnp 总电流密度总电流密度 8.1 PN8.1 PN结电流结电流 8.1.5 8.1.5 理想理想PNPN结电流结电流 n理想关系理想关系 J Js s称为反向饱和电流密度称为反向饱和电流密度 1313 1exp)()( 00 kT eV L peD L peD xJxJJ a n pn p np pnnp 为热电压 e kT 8.1 pn8.1 pn结电流

10、结电流8.1.68.1.6物理学小结物理学小结 n物理学小结物理学小结 1414 8.1 PN8.1 PN结电流结电流8.1.78.1.7温度特性温度特性 n温度特性温度特性 理想反向饱和电流密度：理想反向饱和电流密度： 温度升高，反向饱和电流密度增大。温度升高，反向饱和电流密度增大。 正偏电流电压关系式：正偏电流电压关系式： 温度升高，二极管电流密度也会增大，但不如反向饱和电流温度升高，二极管电流密度也会增大，但不如反向饱和电流 增大的那么明显。增大的那么明显。 1515 P203P203例例8.58.5 n短二极管短二极管n n区稳态过剩少子空穴：区稳态过剩少子空穴： 边界条件：边界条件：

11、 少子浓度：当少子浓度：当W Wn nLLp p 少子扩散电流密度：少子扩散电流密度： 0 exp1 ann nn n eVxWx pxp kTW 8.1 PN8.1 PN结电流结电流 8.1.88.1.8短二极管短二极管 1616 短二极管的扩散电流密度要远大于长短二极管的扩散电流密度要远大于长 二极管的扩散电流密度。二极管的扩散电流密度。 8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 8.2.18.2.1扩散电阻扩散电阻( (增量电导增量电导) ) 直流静态电流。直流静态电流。 扩散电阻：随偏置电流的增加而减小。扩散电阻：随偏置电流的增加而减小。 1717 I ID D为二极管电流

12、，为二极管电流，I IS S为二极管反向饱和电流为二极管反向饱和电流 正弦电流与电压的比值称为正弦电流与电压的比值称为增量电导：增量电导： 增量电导的倒数称为增量电导的倒数称为增量电阻：增量电阻： 8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 8.2.28.2.2小信号导纳小信号导纳扩散电容（正偏）扩散电容（正偏） 1818 n n区内空穴与区内空穴与p p区内电子的充、放电过程区内电子的充、放电过程 产生了电容，该电容称为产生了电容，该电容称为扩散电容扩散电容。 tVV dca sin pnpn结导纳为总交流电流结导纳为总交流电流 相量与交流电压相量的相量与交流电压相量的 比值比值(

13、P209(P209式式8.65)8.65)。 8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 扩散电导：扩散电导： 扩散电容：扩散电容： 00 1 DQ dpn tt I gII VV 0000 1 2 dppnn t CII V I Ip0 p0为空穴扩散电流的直流成分 为空穴扩散电流的直流成分 I In0 n0为电子扩散电流的直流成分 为电子扩散电流的直流成分 1919 8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 8.2.38.2.3等效电路等效电路 扩散电阻扩散电阻 扩散电容扩散电容 势垒电容势垒电容 电中性的电中性的p p区与区与n n 区内的阻值区内的阻值r rs s

14、 2020 8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型 8.2.38.2.3等效电路等效电路 2121 Saapp IrVV 8.38.3产生复合电流产生复合电流 8.3.18.3.1反偏产生电流反偏产生电流 空间电荷区内：空间电荷区内： 2222 在推导理想的电流在推导理想的电流- -电压关系时电压关系时 ，忽略了空间电荷区内的一切效应，忽略了空间电荷区内的一切效应 ，但由于空间电荷区内其他电流成，但由于空间电荷区内其他电流成 分，实际分，实际pnpn结的结的I-V I-V 特性会偏离其特性会偏离其 理想表达式。理想表达式。 P214P214例例8.78.7 8.38.3产生复合电

15、流产生复合电流 8.3.28.3.2正偏复合电流正偏复合电流 n正偏复合电流：正偏复合电流： n n区注入区注入p p区的电子和从区的电子和从p p区注入区注入n n区的空穴在势垒区区的空穴在势垒区 内复合了一部分，形成复合电流内复合了一部分，形成复合电流。 2323 8.38.3产生复合电流产生复合电流 8.3.38.3.3总正偏电流总正偏电流 n总正偏电流总正偏电流 2424 8.38.3产生复合电流产生复合电流 8.3.38.3.3总正偏电流总正偏电流 nJ J小时复合主导小时复合主导 nJ J大时扩散主导大时扩散主导 一般状况下，二极管的电流一般状况下，二极管的电流 电压关系：电压关系

16、： exp1 a s eV II nkT n n为理想因子。为理想因子。 正偏电压较大：正偏电压较大：n1n1 正偏电压较小：正偏电压较小：n2n2 过渡区内：过渡区内：1n21n2 2525 8.4 8.4 结击穿结击穿 n齐纳击穿和雪崩击穿齐纳击穿和雪崩击穿 2626 pnpn结击穿：结击穿：对对pnpn结加的结加的反向电压反向电压增大到某一数值时，反向电流突然开始增大到某一数值时，反向电流突然开始 迅速增大，这种现象称为迅速增大，这种现象称为pn pn 结击穿。结击穿。 n1 1、齐纳击穿（隧穿击穿）、齐纳击穿（隧穿击穿） 齐纳击穿：齐纳击穿：是一种量子效应，它通常发是一种量子效应，它通

17、常发 生在生在pnpn结结两侧掺杂浓度较高两侧掺杂浓度较高的情况下，的情况下， 且齐纳击穿电压较低。且齐纳击穿电压较低。 齐纳击穿电压具有负温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。 8.48.4结击穿结击穿 n2 2、雪崩击穿、雪崩击穿 实质是载流子与晶格原子碰撞实质是载流子与晶格原子碰撞 使之电离。当使之电离。当pnpn结外加反向偏压足结外加反向偏压足 够高使得势垒区内场强超过临界电够高使得势垒区内场强超过临界电 场时，载流子受到加速并获得足够场时，载流子受到加速并获得足够 大的动能，它们与晶格原子发生碰大的动能，它们与晶格原子发生碰 撞，把电子从共价键中撞，把电子从共价键中“打打”出来出来

18、，产生一个电子，产生一个电子-空穴对空穴对 雪崩击穿与电场强度和势垒区宽度有关（正比）；雪崩击穿与电场强度和势垒区宽度有关（正比）； 此种击穿此种击穿V VB B电压随温度升高而提高电压随温度升高而提高，即，即V VB B具有正温度系数。具有正温度系数。 8.4 8.4 结击穿结击穿 n电流倍增电流倍增 MnMn为倍增因子为倍增因子 2828 8.4 8.4 结击穿结击穿 n低浓度雪崩，高浓度隧穿低浓度雪崩，高浓度隧穿 2929 max dn s eN x E 8.68.6隧道二极管隧道二极管 3030 n n区与区与p p都为都为简并掺杂简并掺杂的的pnpn结称为隧道二极管。结称为隧道二极管。 随掺杂浓度的增加，耗尽区的宽度会减少，因而区内的电场很强，电子穿过禁带的随掺杂浓度的增加，耗尽区的宽度会减少，因而区内的电场很强，电子穿过禁带的 概率就很大。概率就很大。 8.68.6隧道二极管隧道二极管-正偏正偏 E EFn FnE EFp Fp E EFn Fn E EFp Fp E EFn Fn E EFp Fp E EFn Fn E EFp Fp E EFn Fn E EFp Fp 3131 P P区与区与n n区相同的区相同的 量子态量子态 8.68.6隧道二极管隧道二极管-反偏反偏 3232 任何反偏电压均会形成隧穿电流。任何反偏电压均会形成隧穿电流。 本章小本章