半导体物理pn结电容ppt课件

1、1. 势垒电容势垒电容正向偏压减小时，势垒区增大正向偏压减小时，势垒区增大原因：原因：n区的电子或区的电子或p区空穴从势垒区抽出，空间电荷数增多。区空穴从势垒区抽出，空间电荷数增多。效果：相当于势垒区效果：相当于势垒区“取出取出”电子或空穴。电子或空穴。势垒区的空间电荷数随外加偏压发生变化，等价于电容器的充、势垒区的空间电荷数随外加偏压发生变化，等价于电容器的充、放电作用。放电作用。正向偏压增大时，势垒区减小正向偏压增大时，势垒区减小原因：原因： n区的电子或区的电子或p区空穴中和区空穴中和势垒区电离施主或电离受主势垒区电离施主或电离受主效果：相当于在势垒区效果：相当于在势垒区“储存储存”了电

2、子或空穴。了电子或空穴。正向偏压时，空穴正向偏压时，空穴(电子电子)注入注入n(p)区，区，在势垒边界处，积累非平衡少数载流在势垒边界处，积累非平衡少数载流子。子。正向偏压增大时，势垒区边界处积累的非平衡载流子增多；正向偏压增大时，势垒区边界处积累的非平衡载流子增多；正向偏压减小时，则相应减小。正向偏压减小时，则相应减小。由于正向偏压增大或减小，引起势垒区边界处积累的电荷数量增由于正向偏压增大或减小，引起势垒区边界处积累的电荷数量增多或减小产生的电容称为扩散电容。多或减小产生的电容称为扩散电容。势垒电容和扩散电容均随外加偏压的变化而变化，均为可变电容势垒电容和扩散电容均随外加偏压的变化而变化，

3、均为可变电容微分电容微分电容pn结在固定直流偏压结在固定直流偏压V作用下，叠加一个微小的交流电容作用下，叠加一个微小的交流电容dV时，时，引起电荷变化引起电荷变化dQ, 该直流偏压下的微分电容为该直流偏压下的微分电容为dVdQC 1. 突变结势垒中电容的电场、电势分布突变结势垒中电容的电场、电势分布耗尽层近似及杂质完全电离时，势垒区电荷密度：00pnxxxx AxqN DxqN势垒宽度：DnpXxx整个半导体满足电中性条件：整个半导体满足电中性条件：ApDnqN xqN xQApDnN xN x杂质浓度高电荷宽度小，杂质浓度低电荷宽度大突变结势垒区的泊松方程为00pnxxxx 2120Ard

4、VxqNdx 2220Drd VxqNdx 将上式积分一次得 110ArdVxqNxCdx 220DrdVxqNxCdx 00pnxxxx由边界条件可得：1200,ApDnrrqN xqN xCC 则势垒中的电场为 110AprqNxxdV xxdx 00pnxxxx 220DnrdVxqNxxxdx 可以看出，在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置 的线性函数，在 处，电场强度取得最大值 ，即x0 x m 1200000ApDnmrrrxxqN xdVxdVxqN xQdxdx 势垒区电场分布图如右图所示 对势垒区中的电场强度式两遍积分可得到势垒区中各点的电势为 211002ApArrqN x

5、qNVxxxD 222002DnDrrqN xqNVxxxD 00pnxxxx由边界条件120,pnDVxVxV得2102DprqNxD 2202DnDrqN xDV 则 221002ApAprrqNxxqN xxVx 222002DnDnDrrqNxxqN xxV xV 00pnxxxx利用 处电势连续，代入上式可得0 x2202ApDnDrq N xN xV 因为 ，及DnpXxxApDnN xN xADnDAN XxNNDDpDAN XxNN则 可化为DV202ADDDrDAN XqVXNN 杂质浓度越高，势垒宽度越小；当杂质浓度一定时，接触电势差越大，势垒越宽所以得02rADDDADN

6、NXVqN N 对于 结，因 ，故 ，则p n,ADnpNN xxDnXx220022DnDDDrrqN xqN XV 02rDDnDVXxqN 同理对于 结n p220022ApADDrrqN xqN XV 02rDDpAVXxqN 可以看出：单边突变结的接触电势差 随着掺杂浓度的增加而升高 单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度增大而下降。势垒几乎全部在轻掺杂的一边，因而能带弯曲主要发生于这一区域DV 对于有外加电压 时，势垒区上的总电压为 ，则势垒宽度可推广为DVVV02rADDDADNNVVXqN N p n结n p结02rDDpAVVXxqN 02rDDnDVVXxqN 由以上三

7、式可以看出： 突变结的势垒宽度 与势垒区上的总电压 的平方根成正比。正偏时时势垒变窄；反偏时势垒变宽。 当外加电压一定时，势垒宽度随pn结两边的杂质浓度的变化而变化。对于单边突变结，势垒区主要向轻掺杂一边扩散，而且势垒宽度与轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成反比。DXDVV由DnpXxx及ApDnN xN x得到势垒区内单位面积上总电量为ADDADNNqXQNN代入 得DX02rADDADN N q VVQNN 由微分电容定义得单位面积势垒电容为02rADTADDqN NdQCdVNNVV 对于面积为A的pn结02rADTTADDqN NCACANNVV 将 的表达式代入上式得DX0rTDACX

8、4rSCkd对比平行板电容器对于 或 ，p nn pTC可简化为02rBTDqNCAVV 结论：突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比。 突变结势垒电容和电压 的平方根成反比，反向偏压越大势垒电容越小，外加电压随时间变化，则势垒电容变化 DVV正向偏压时 04042rADTTADqN NCCANN 电荷分布如左图所示，则势垒区的空间电荷密度为 DAjxq NNqa x将上式带入泊松方程 220jrqa xd Vxdx 积分及利用边界条件可求得电场强度 为 x 220028jjDrrqa xqa XdV xxdx 0 x 处取得极大值，对上式积分并 0 x 00V 32

9、0068jjDrrqa xqa xXV x 设 处， 求得将 代入上式，相减得pn结接触电势差 为2DxXDV302212jDDDDrqaXXVVVX 则 为DX有外加电压时0312rDDjVXqa 0312rDDjVVXqa 设pn结面积为A，对 积分得 DAjxq NNqa x 2208DXjDqa XQx AdxA即222033932j rDqaQAVV 则220312jrTDqadQCAdVVV 结论：线性缓变结的势垒电容和结面积及杂质浓度梯度的立方 根成正比 线性缓变结的势垒电容和 的立方根成反比，增大发向电压，电容减小。DV V应用：测量单边突变结的杂质浓度22021DTrBVVC

10、AqN 测量线性缓变结的杂质浓度梯度33220121DTjrVVCA qa 6.3.4 扩散电容 Pn结加正向偏压时，由于少子的注入，在扩散区内，有一定数量的少子和等量的多子的积累，而且浓度随正向偏压而变化，从而形成了扩散电容。注入到n区和p区的非平衡少子分布 0exp1 expnnnonopxxqVpxppk TL 0exp1 exppppoponxxqVnxnnk TL对上两式在扩散区积分，得 00exp1nppnxqVQp x qdxqL pk T 00exp1pxnn pqVQn xqdx qLnkT则200exppnopDpdQq p LqVCdVk Tk T200expponnDnq n LdQqVCdVk Tk T得总微分扩散电容为200expponn