半导体器件物理学习教案课件

会计学1半导体器件物理会计学1半导体器件物理引言PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。1.PN结定义：第1页/共93页引言PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触引言2.几种分类：因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。

同质结：由同种物质构成的结（如硅）；异质结：由不同种物质构成的结（如硅和锗）

；同型结：由同种导电类型的物质构成的结（如P-硅和P-锗、N-硅和N-锗）；异型结：由不同种导电类型的物质构成的结（如P-硅和N-硅、P-锗和N－锗）；第2页/共93页引言2.几种分类：因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同引言3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理后的型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作

(c)光刻胶层匀胶及坚膜

（d)图形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片n-

Si光刻胶SiO2N+（f)腐蚀SiO2后的晶片

第3页/共93页引言3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(a)抛光处理引言采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(g)完成光刻后去胶的晶片

(i)蒸发/溅射金属

（j）PN结制作完成

(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结P-

SiN-

SiSiO2N+第4页/共93页引言采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程(g)完成光刻后去引言4.突变结与线性缓变结

1)突变结：

P区和N区杂质过渡陡峭单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）Na-Nd0

x

Na-Nd

xj第5页/共93页引言4.突变结与线性缓变结1)突变结：P区和N区杂质过引言4.突变结与线性缓变结

2)线性缓变结：

在线性区：两区之间杂质过渡是渐变的

Na-Nd0

x

xj-ax第6页/共93页引言4.突变结与线性缓变结2)线性缓变结：在线性区：两2.1热平衡PN结1.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前N型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近价带顶。当N型材料和P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

漂移

漂移

扩散

扩散

E

ny

py

（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图第7页/共93页2.1热平衡PN结1.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统费米2.1热平衡PN结2.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）恒定费米能级的条件是由电子从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的，固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域叫做空间电荷区。（c）与（b）相对应的空间电荷分布第8页/共93页2.1热平衡PN结2.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统划分2.1热平衡PN结3.几个概念耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于电离杂质浓度，因而保持电中性，因此PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。第9页/共93页2.1热平衡PN结3.几个概念耗尽近似：在空间电荷区，与电离2.1热平衡PN结4.空间电荷区内建电势差(N型一边和P型一边中性区之间的电位差）方法一：（中性区电中性条件）由一维泊松方程：取费米势为零基准时：（2-2）由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：即：（2-4）第10页/共93页2.1热平衡PN结4.空间电荷区内建电势差(N型一边和P型一2.1热平衡PN结方法一：（中性区电中性条件）（2-5）对于N型的中性区，假设，。即

，连并（2-2a）代入（2-4）中，得N区中性区电势为：采用同样的方法，得到P型中性区的电势为：（2-6）因而，在N型一边与P型一边中性区之间的电位差为（2-7）第11页/共93页2.1热平衡PN结方法一：（中性区电中性条件）（2-5）对于2.1热平衡PN结方法二：（费米能级恒定）从费米能级恒定的观点来看，热平衡PN结具有统一的费米能级。形成PN结之前N区费米能级比P区费米能级高。形成PN结之后，费米能级恒定要求N区费米能级相对P区费米能级下降，则原费米电势差

即PN结中N型与P型中性区间电势差。未形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：可以得到分别的费米能级为：再由热电势，得：第12页/共93页2.1热平衡PN结方法二：（费米能级恒定）从费米能级恒定的观方法三：（在平衡状态下，净的空穴电流密度为零）并可进一步求出内建电势为从上式可解出内建电场，由于，，故得：第13页/共93页方法三：（在平衡状态下，净的空穴电流密度为零）并可进一步求出2.1热平衡PN结5.利用Poisson方程求解单边突变结(P+N)SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度N侧Poisson方程：P侧Poisson方程：空间电荷的电中性：空间电荷层宽度：对于单边突变结：单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布第14页/共93页2.1热平衡PN结5.利用Poisson方程求解单边突变结2.1热平衡PN结对N侧Poisson方程边界条件：应用做一次积分：得：边界条件：再次积分：第15页/共93页2.1热平衡PN结对N侧Poisson方程边界条件：应用做一2.1热平衡PN结很小，由电势连续性，内建电势差：——扩散电势或自建电势——热平衡下的势垒高度耗尽层宽度：思考：利用Poisson方程求解突变结SCR（非单边）内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度第16页/共93页2.1热平衡PN结很小，由电势连续性，内建电势差：——扩散电2.1热平衡PN结6.学习要求1)掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。2)分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR)的形成3)正确画出热平衡PN结的能带图（图2.3a、b）。4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：5)解Poisson方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。（2-7）第17页/共93页2.1热平衡PN结6.学习要求1)掌握下列名词、术语和基本概第18页/共93页第18页/共93页2.2加偏压的PN结1.加偏压的PN结的能带图1)热平衡时2)加正向偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为第19页/共93页2.2加偏压的PN结1.加偏压的PN结的能带图1)热平衡时22.2加偏压的PN结加正向偏压时远离PN结空间电荷区的中性区的准费米能级

和

。偏压

使热平衡费米能级分裂，N区准费米能级

相对P区准费米能级

上移

。相应地，N区各个能级上移

。势垒高度降至。在空间电荷区由于，可以认为费米能级

和

通过空间电荷区时分别不变。在空间电荷区N侧，空穴准费米能级从

逐渐升高,最后与准电子费米能级

相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为空穴扩散区。类似地，在空间电荷区P侧

逐渐下降,最后与空穴准费米能级相等。这个电子准费米能级变化的区域，称为电子扩散区。第20页/共93页2.2加偏压的PN结加正向偏压时远离PN结空间电荷区的中性区2.2加偏压的PN结3)加反偏压时耗尽层宽度为N区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，

及诸能级相对P区

下移

。在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时

和

不变。势垒高度增加至，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：（2-23）第21页/共93页2.2加偏压的PN结3)加反偏压时耗尽层宽度为N区接正电位，2.2加偏压的PN结4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性在电子扩散区和空穴扩散区，不等于常数，根据修正欧姆定律必有电流产生，由于，电流沿x

轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电流密度也很大(

，)离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。反偏压

使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的降低

。扩散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽取作用，在扩散区载流子很少，

很小，因此虽然有很大的费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。第22页/共93页2.2加偏压的PN结4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向2.2加偏压的PN结5)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性正偏压使空间电荷区内建电势差由下降到

打破了PN结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由上升到

同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因此电流是反向的且很小。第23页/共93页2.2加偏压的PN结5)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单2.2加偏压的PN结在正偏压下，外加电压降低了PN结的势垒，加强了电子从N侧到P侧的扩散以及空穴从P侧到N侧的扩散。2.少数载流子的注入与输运——N侧和P侧平衡电子浓度——N侧和P侧平衡空穴浓度自建电势：（2-27）平衡时结边缘的载流子浓度第24页/共93页2.2加偏压的PN结在正偏压下，外加电压降低了PN结的势垒，2.2加偏压的PN结加上偏压，结电势变为——N侧和P侧空间电荷层边缘的电子浓度考虑低水平注入，得：类推得：——空间电荷层边缘的少数载流子浓度正向少子注入：当PN结加上正向偏压时，在结边缘反向少子抽取：当PN结加上反向偏压时，在结边缘1)结边缘的少数载流子浓度第25页/共93页2.2加偏压的PN结加上偏压，结电势变为——2.2加偏压的PN结2)空间电荷效应和扩散近似在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注入载流子通过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为扩散近似。在扩散近似下，稳态载流子输运满足扩散方程。注入P+N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布第26页/共93页2.2加偏压的PN结2)空间电荷效应和扩散近似在注入载流子存2.2加偏压的PN结3.学习要求1)掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区2)正确画出加偏压PN结能带图。3)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性4)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性5)掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-23）6)导出少数载流子浓度公式（2-29）和（2-30）第27页/共93页2.2加偏压的PN结3.学习要求1)掌握名词、术语和基本概念第28页/共93页第28页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性1.理想的P-N结的基本假设及其意义1)外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。2)均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。3)空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。4)小注入，即5)半导体非简并第29页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性1.理想的P-N结的基本2.3理想PN结的直流电流－电压特性2.载流子分布满足边界条件解得解稳态扩散方程第30页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性2.载流子分布满足边界条2.3理想PN结的直流电流－电压特性2.载流子分布对于长二极管，上式简化为PN结P侧的电子分布为少数载流子分布第31页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性2.载流子分布对于长二极2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为在空间电荷层边缘（2-40），空穴电流为空穴电流分布改写为（2-42）第32页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布对于长二极管2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布（2-47）类似，电子电流分布为空穴电流分布为第33页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布（2-47）2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布公式（2-42）和（2-47）指出，由于少子电流沿远离PN结的方向而e指数地减小。因为总电流相对于x来说必定不变，才能满足电流连续性。所以多子电流必须随着x增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，少子电流通过电子空穴对的复合不断地转换为多子电流。电子电流和空穴电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：——二极管饱和电流第34页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性3.电流分布公式（2-42.3理想PN结的直流电流－电压特性4.PN结饱和电流的几种表达方式(一般是反向饱和电流)理想PN结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。（2-49d）（2-49c）二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成（2-49a）（2-49b）对于P+N(N+P)单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。第35页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性4.PN结饱和电流的几种2.3理想PN结的直流电流－电压特性5.反向偏置PN结的少子分布和电流分布（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流反向偏压——反向饱和电流——分别是PN结空穴扩散区和电子扩散区所发生的空穴产生电流和电子产生电流第36页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性5.反向偏置PN结的少子2.3理想PN结的直流电流－电压特性6.PN结的典型电流电压特性

PN结正向电流随外加电压e指数增加，反向电流则很小，这就是PN结的单向导电性。第37页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性6.PN结的典型电流电2.3理想PN结的直流电流－电压特性7.学习要求1)了解理想PN结基本假设及其意义。2)根据公式（2-37）导出长PN结少子分布表达式。3)理解公式（2-48）、（2-49)。4)根据公式（2-49d）解释理想PN结反向电流的来源。5)画出正偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。6)理解反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图。第38页/共93页2.3理想PN结的直流电流－电压特性7.学习要求1)了解理想2.4空间电荷区的复合电流和产生电流1.复合电流（在正偏压的时候出现）正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致，这些过量载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会有复合。复合电流：考虑最大复合条件外加电压V时，在势垒区中，平衡时，可见：当V=0

时，np=ni2

，U=0

，不发生净复合；当V>0时，np>ni2

，U>0，发生净复合；当V<0时，np<ni2

，U<0，发生净产生。？？第39页/共93页2.4空间电荷区的复合电流和产生电流1.复合电流（在正偏压的其中：（2-57）得：最大复合率为:考虑最大复合影响外加电压V一定时，第40页/共93页其中：（2-57）得：最大复合率为:考虑最大复合影响外加电压2.4空间电荷区的复合电流和产生电流图2-11衬底掺杂浓度为1016cm3的硅扩散结的电流电压特性低偏压：空间电荷区的复合电流占优势偏压升高：扩散电流占优势更高偏压：串联电阻的影响出现了（扩散电流为主）第41页/共93页2.4空间电荷区的复合电流和产生电流图2-112.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.扩散电流对于P+N结，当外加正向电压且V>>VT

时，把扩散电流记为3.复合电流与扩散电流的比较（对于P+N结）上式表明，若越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅PN结比锗PN结势垒区复合电流大；PN结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。

第42页/共93页2.4空间电荷区的复合电流和产生电流2.扩散电流对于P+N结2.4空间电荷区的复合电流和产生电流4.产生电流（在反向偏压的时候出现）PN结处于反向偏压，空间电荷区中，有：产生率：产生电流：由于空间电荷层的宽度随着反向偏压的增加而增加因而反向电流是不饱和的，产生电流也随着反向偏压的增加而增加。第43页/共93页2.4空间电荷区的复合电流和产生电流4.产生电流（在反向偏压2.4空间电荷区的复合电流和产生电流5.学习要求理解并掌握概念：正偏复合电流反偏产生电流推导公式（2-54）、（2-57）、（2-61）理解低偏压下空间电荷区的复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主要成分第44页/共93页2.4空间电荷区的复合电流和产生电流5.学习要求理解并掌握概2.5隧道电流1.量子力学的隧道效应当PN结的P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透势垒而产生额外的电流2.产生隧道电流的条件（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。第45页/共93页2.5隧道电流1.量子力学的隧道效应当PN结的P侧和N侧均为2.5隧道电流3.隧道效应p(a)0K和没有外加偏压(b)外加正向偏压(c)外加正向偏压第46页/共93页2.5隧道电流3.隧道效应p(a)0K和没有外加偏压(b)外2.5隧道电流4.隧道效应(d)外加正向偏压(e)外加反向偏压第47页/共93页2.5隧道电流4.隧道效应(d)外加正向偏压(e)外加反向偏2.5隧道电流5.隧道机制分析简化的隧道穿透几率：——势垒高度——空间电荷层宽度（势垒厚度）代入得：（2-64）则隧道电流可为：——隧道电子的速度第48页/共93页2.5隧道电流5.隧道机制分析简化的隧道穿透几率：——势垒高2.5隧道电流5.隧道机制分析若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流电压曲线则将被改变成示于图2-14b中的情形。这称为反向二极管第49页/共93页2.5隧道电流5.隧道机制分析若掺杂密度稍予减少，使正向隧道2.5隧道电流6.隧道二极管的特点和应用上的局限性（1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声。（2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。（3）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二极管的利用受到限制。第50页/共93页2.5隧道电流6.隧道二极管的特点和应用上的局限性（1）隧道7.学习要求了解产生隧道电流的条件画出能带图解释隧道二极管的I－V特性了解隧道二极管的特点和局限性2.5隧道电流第51页/共93页7.学习要求了解产生隧道电流的条件画出能带图解释隧道二极管的1.PN结处于正向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系总电流（扩散电流）：（2-48）复合电流：（2-57）得：（2-66）式中随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（Si0.3V）就使占优势。

第52页/共93页1.PN结处于正向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系总电流（2.PN结处于反向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系（2-67）随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。无论是在正向还是反向偏置，PN结的温度特性主要取决于二极管方程：（2-48）反向偏压情况下，二极管I－V特性的温度效应：（2-49b）第53页/共93页2.PN结处于反向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系（2-63.PN结处于反向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系（2-49b）相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。

（2-68）对T求导，所得的结果除以，得到（2-69）反映了反偏压情况下，二极管I－V特性的温度效应。20

40

60

80

100

101

102

103

100

VR=6V

T°C

第54页/共93页3.PN结处于反向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系（2-44.PN结处于正向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系取（2-70）导出：代入（2-69）式，得到

（2-72）I，A

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10-5

150°C

25°C

-55°C

V—V

结电压随温度变化十分灵敏，常用来精确测温和控温第55页/共93页4.PN结处于正向偏置2.6I-V特性的温度依赖关系取（2-5.学习要求了解PN结I－V特性的温度依赖关系了解公式（2-68）、（2-72）、（2-73）2.6I-V特性的温度依赖关系第56页/共93页5.学习要求了解PN结I－V特性的温度依赖关系了解公式（2-1.耗尽层电容

已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结的两个半边内空间电荷直接正比于耗尽层宽度，则有：2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管（2-74）空间电荷层小信号电容：得：（2-76）C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容第57页/共93页1.耗尽层电容已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结1.耗尽层电容

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。

常用关系：

（2-77）21C

0y

RV

1、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。2、使直线外推至电压轴可求出自建电压。在截距处第58页/共93页1.耗尽层电容2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管P2.求杂质分布

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此称求杂质分布。考虑任意杂质分布：（2-78）x

()xN

()WN

W

dW

式中

是在空间电荷层边缘处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间具有如下关系：电场增量偏压增量的具有如下关系：

（2-80）第59页/共93页2.求杂质分布2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管在2.求杂质分布

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管由

得：

——势垒电容把（2-79）式至（2-81）式代入（2-78）式并将结果重新整理得到（2-82）第60页/共93页2.求杂质分布2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管由3.求杂质分布的程序

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管在不同反偏压下测量电容：用（2-81）式求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度：画出相对的曲线。从此曲线中取并将其结果代入（2-82）式计算出画出完整的杂质分布注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。

第61页/共93页3.求杂质分布的程序2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二3.求杂质分布的程序

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果第62页/共93页3.求杂质分布的程序2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二3.求杂质分布的程序

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果第63页/共93页3.求杂质分布的程序2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二4.变容二极管

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管根据（2-76）可见反向偏置的PN结可以作为电容使用在LC调谐电路中。专门为此目的制造的二极管称为变容二极管。结型二极管的电容电压方程可写成

：对于单边突变结，，如式（2-76）中所表示。

（2-83）第64页/共93页4.变容二极管2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管根4.变容二极管

2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管包括一个P-N结电容的LC电路，其谐振频率可表示为（2-84）在电路应用中，总是希望在谐振频率和控制电压之间有线性关系，也就是说，要求。第65页/共93页4.变容二极管2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管包5.学习要求掌握概念：耗尽层电容、求杂质分布、变容二极管掌握耗尽层电容公式（2-76）、（2-81）2.7耗尽层电容求杂质分布和变容二极管掌握C－V关系：公式（2-77）及其应用掌握求杂质分布的概念及求解程序掌握使用图表2-19求电容的方法了解变容二极管的应用及其设计原则第66页/共93页5.学习要求掌握概念：耗尽层电容、求杂质分布、变容二极管掌握PN结在小信号工作时特点：信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化跟得上信号的变化。2.8小信号交流分析器件的频率特性：器件处理连续波时所表现出来的性能。（大信号、小信号）器件的开关特性（瞬变）：器件处理数字信号和脉冲信号时所表现出来的性能。（大信号）PN结在大信号工作时特点：I－V特性和C－V特性等都是非线性的。讨论PN结在小信号工作时，可以把电流、电压以及非平衡载流子的瞬态值表示成直流成分与交流成分的叠加：小信号条件：（2-85）交流小信号下的扩散电流第67页/共93页PN结在小信号工作时特点：信号电流与信号电压之间满足线性关系2.8小信号交流分析空穴分布：1.少子边界条件（2-91）在PN结边缘N侧处，由（2-30）式

得（2-86）对于采用近似：得：（2-88）式中：少子的边界条件为:

（2-90）第68页/共93页2.8小信号交流分析空穴分布：1.少子边界条件（2-91）在2.8小信号交流分析在N型中性区，把空穴分布2.交流少子连续性方程代入连续性方程：（2-92）式中得由于（2-93）第69页/共93页2.8小信号交流分析在N型中性区，把空穴分布2.交流少子连续2.8小信号交流分析3.交流少子分布（2-96）N区空穴交流分量对于长二极管（

）

（2-95）第70页/共93页2.8小信号交流分析3.交流少子分布（2-96）N区空穴交流2.8小信号交流分析交流少子分布P区电子交流分量（2-98）（2-100）第71页/共93页2.8小信号交流分析交流少子分布P区电子交流分量（2-98）2.8小信号交流分析4.交流电流（2-97）（2-102）总的交流电流

而空穴电流：

注入到P区电子交流分量：

得：

（2-100）第72页/共93页2.8小信号交流分析4.交流电流（2-97）（2-102）总2.8小信号交流分析5.二极管的交流导纳二极管的交流导纳定义为交流电流与交流电压之比：（2-104）其中为二极管正向电流直流成分。

直流电导也叫做扩散电导，其倒数叫做PN结扩散电阻。称为P-N结扩散电容。其性质如下：1、扩散电容在PN结正偏压情况下出现。偏压愈高，扩散电容愈大。反偏PN结不存在贮存电荷，因此不表现出扩散电容；2、工作电流愈大，扩散电容愈大；3、对于高频情形，存贮电荷跟不上结电压的变化、很小，对于低频情况，扩散电容特别重要；4、减少少子寿命（硅材料中掺金）可以有效地减小扩散电容。第73页/共93页2.8小信号交流分析5.二极管的交流导纳二极管的交流导纳定义2.8小信号交流分析6.二极管的等效电路

在许多应用中，总是根据在使用条件下半导体器件各部分的物理作用，用电阻，电容，电流源和电压源等组成一定的电路来达到等效器件的功能。这种电路叫做等效电路。PN结小信号交流等效电路如图2-20所示。——耗尽层电容——串联电阻——扩散电容——直流电导第74页/共93页2.8小信号交流分析6.二极管的等效电路在许多应用中，总是2.8小信号交流分析7.学习要求掌握概念：交流导纳扩散电导扩散电阻扩散电容等效电路掌握解扩散方程求出了交流少子分布、电流分布、交流电流掌握二极管等效电路第75页/共93页2.8小信号交流分析7.学习要求掌握概念：交流导纳扩散电2.9电荷贮存和反向瞬变1.二极管的开关作用PN结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。第76页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变1.二极管的开关作用PN结二极管处于2.9电荷贮存和反向瞬变2.PN结的反向瞬变电流和电压的延迟现象源于PN结的电荷贮存效应第77页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变2.PN结的反向瞬变电流和电压的延2.9电荷贮存和反向瞬变3.PN结二极管的电荷贮存效应PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。当正向偏压突然转至反向偏压时，在稳态条件下所保持的载流子并不能立刻消除。第78页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变3.PN结二极管的电荷贮存效应PN结2.9电荷贮存和反向瞬变4.PN结反向瞬变的定性解释

到则沿X轴的负方向，于是电流反向。

1、在处注入的载流子浓度结界面不断下降，注入载流浓度的梯度2、注入的非平衡少子的浓度梯度不变，因此反向电流变成反向电流的原因。

为常量。这就解释了当偏压由立即变成扩散电流之后，但在这一段时间内，由于在减小，因此平衡少子被去除完毕，于是结电压为零。

仍然大于面上，因此PN结两端的电压3、在也在减小，当时，可以认为，即全部注入的非第79页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变4.PN结反向瞬变的定性解释到则沿2.9电荷贮存和反向瞬变PN结反向瞬变的定性解释

在，因而也愈来愈小，因此也愈来愈小，电流和电压波形中出现“尾巴”。（即达到稳定的反偏状态之后）由于反向偏压PN结的抽取作用，在面上达到反向偏压PN结稳定状态时的分布状况，第80页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变PN结反向瞬变的定性解释在，因而也2.9电荷贮存和反向瞬变5.PN结反向瞬变的定量分析（电荷控制分析方法

）

在

考虑长P+N结二极管的电荷贮存效应。

N侧的总贮存电荷定义为（2-106）对连续方性程（1-213a）从0至求一次积分（令）并利用（2-106）式，得到

（2-107）——电荷控制方程

第81页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变5.PN结反向瞬变的定量分析（电荷控2.9电荷贮存和反向瞬变PN结反向瞬变的定量分析（电荷控制分析方法

）

在

为在全部贮存电荷被去除（定义贮存时间）所需要的时间，从而

通过解依赖于时间的连续性方程进行精确分析得到的是（2-112）（2-113）第82页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变PN结反向瞬变的定量分析（电荷控制分

2.9电荷贮存和反向瞬变6.阶跃恢复二极管反向瞬变波形可以通过在二极管中引入一自建场进行修正。例如若在P+N二极管轻掺杂一侧的杂质浓度为

（2-114）自建电场为：式中为在PN结处的杂质浓度；a为常数。（2-115）于是注入的非平衡少子空穴既有扩散运动，也有在自建场作用下的漂移运动。自建场沿着-x方向，漂移电流也沿-x方向，方向当二极管由正向偏置转换到反向偏置之后，注入少子空穴开始反向流向空间电荷区，而此时自建场E将加速这种流动。

第83页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变6.阶跃恢复二极管反向瞬变波形可以2.9电荷贮存和反向瞬变7.学习要求掌握概念：PN结二极管的开关作用、反向瞬变、电荷贮存、贮存时间、电荷控制分析方法、阶跃恢复二极管根据PN结二极管的少数载流子分布示意图定量地解释PN结二极管的反向瞬变现象。了解利用电荷控制方法求得贮存时间并与严格解的结果比较。了解阶跃恢复二极管工作原理第84页/共93页2.9电荷贮存和反向瞬变7.学习要求掌握概念：PN结二极管2.10

PN结击穿1.PN结击穿当加在PN结上的反偏压增加到一定数值，再稍微增加，PN结就会产生