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文档简介
晶体管原理第二章第一页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
平衡状态:PN
结内部的温度均匀稳定,不存在外加电压、光照、磁场、辐射等外作用。
2.1PN
结的平衡状态第二页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.1.1空间电荷区的形成空穴扩散:P区N区电子扩散:P区N区扩散电流方向为,P区N区P区N区NA-,pp0ND+,nn0内建电场空间电荷区P区N区NA-ND+NA-pp0ND+nn0第三页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.1.2内建电场、内建电势与耗尽区宽度第四页,共四十五页,编辑于2023年,星期六PN以上的E(x)
就是
PN
结的
内建电场。1.N区P区的电场为第五页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
Vbi
与掺杂浓度、温度及半导体的材料种类有关。在常用的掺杂浓度范围和室温下,硅的Vbi
约为0.75V
。(2-13)对内建电场作积分可得
内建电势Vbi
2、内建电势
第六页,共四十五页,编辑于2023年,星期六可求出
N
区与
P
区的耗尽区宽度
:
3、耗尽区宽度
总的耗尽区宽度
:第七页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.1.3能带图
第八页,共四十五页,编辑于2023年,星期六N区P区由图可见,电子从
N
区到
P
区必须克服一个高度为
qVbi的势垒,空穴从
P
区到
N
区也必须克服一个同样高度的势垒,所以耗尽区也被称为“势垒区”。PN第九页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.2
PN
结的直流电流电压方程
PN
结二极管的直流电流电压特性曲线第十页,共四十五页,编辑于2023年,星期六面积为Vbi
2.2.1
外加电压时载流子的运动情况外加正向电压
V后,PN结势垒高度由
qVbi降为
q(Vbi-V),
使扩散电流大于漂移电流,形成正向电流。由于正向电流的电荷来源是
N区电子和
P区空穴,它们都是多子,所以正向电流很大。PNx0平衡时外加正向电压时外加电场内建电场面积为Vbi-V第十一页,共四十五页,编辑于2023年,星期六VP区N区0正向电流密度由三部分组成:
1、空穴扩散电流密度
Jdp
(在
N区中推导)
2、电子扩散电流密度
Jdn
(在
P区中推导)
3、势垒区复合电流密度
Jr
(在势垒区中推导)第十二页,共四十五页,编辑于2023年,星期六外加反向电压V(V<0)后,PN结的势垒高度由qVbi
增高到q(Vbi
-V),xd
与都增大。PNx0平衡时外加反向电压时外加电场内建电场面积为Vbi
-V面积为Vbi多子面临的势垒提高了,难以扩散到对方区域中去了,但少子更容易被反向电场拉入对方区域,从而形成反向电流。由于反向电流的电荷来源是少子,所以反向电流很小。第十三页,共四十五页,编辑于2023年,星期六VP区N区0反向电流密度也由三部分组成:
1、空穴扩散电流密度
Jdp
2、电子扩散电流密度
Jdn
3、势垒区产生电流密度
Jg(Jg与
Jr可统称为
Jgr
)
第十四页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
以上两式常被称为“结定律”,对正、反向电压均适用。但在正向时只适用于小注入。2.2.2结定律在
N
型区与耗尽区的边界处,在
P
型区与耗尽区的边界处,第十五页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.2.3扩散电流
第十六页,共四十五页,编辑于2023年,星期六外加正向电压时PN结中的少子分布图为P区N区注入
N区的非平衡空穴,在
N区中
一边扩散一边复合
,其浓度随距离作指数式衰减。衰减的特征长度就是空穴的扩散长度
Lp。每经过一个
Lp的长度,非平衡空穴浓度降为
1/e
。
第十七页,共四十五页,编辑于2023年,星期六P区N区外加反向电压时PN结中的少子分布图为
N区中势垒区附近的少子空穴全部被势垒区中的强大电场拉向
P区,
所以空穴浓度在势垒区边界处最低,随距离作指数式增加,在足够远处恢复为平衡少子浓度。减少的空穴由
N区内部通过热激发产生并扩散过来补充。
第十八页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
PN结总的扩散电流密度(N区内的空穴扩散电流+P区内的电子扩散电流)
Jd
为当V=0
时,Jd=0
,当V>>kT/q时,当V<0且|V|>>kT/q时,Jd=-J0第十九页,共四十五页,编辑于2023年,星期六室温下硅
PN结的
J0值约为
10-10A/cm2的数量级。IVI00
J0乘以
PN结的结面积
A,得:反向饱和电流
第二十页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.2.4势垒区产生复合电流请同学自己看书复习第二十一页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.2.5薄基区二极管本小节的结果在第
3
章中有重要用途。第二十二页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
薄基区二极管
是指,PN结的某一个或两个
中性区的长度小于少子扩散长度。PNWB0这时其扩散电流
Jd
会因为少子浓度的边界条件不同而有所不同。但势垒区产生复合电流Jgr
的表达式无任何变化。解扩散方程得到的N区中的非平衡少子分布为第二十三页,共四十五页,编辑于2023年,星期六对于薄基区二极管,WB<<Lp
,利用近似公式
N区中的非平衡少子:上式对正、反向电压都适用。类似地可得P区中的非平衡少子分布np(x)的表达式。薄基区二极管中的少子分布图为第二十四页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.3大注入效应
大注入条件:注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区的平衡多子浓度。第二十五页,共四十五页,编辑于2023年,星期六在
N区中
xn
附近,或在
P区中(-
xp)附近,N区第二十六页,共四十五页,编辑于2023年,星期六当发生大注入时,PN结的电流电压关系为这时,PN
结的
lnI~V
特性曲线的斜率,将会从
小注入时的
(q/kT)
过渡到
大注入时的(q/2kT)
。
第二十七页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.4PN
结的击穿雪崩倍增隧道效应热击穿击穿现象击穿机理:电击穿第二十八页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.4.1雪崩击穿
反向电压可使被碰撞的价带电子跃迁到导带,从而产生一对新的电子空穴对,这就是
碰撞电离。碰撞电离主要发生在反偏PN结的耗尽区中。之后,新的载流子再被加速,再与原子碰撞,又继续产生一对新的电子空穴对…….,这种现象称为雪崩倍增。第二十九页,共四十五页,编辑于2023年,星期六对于突变结,可见,禁带宽度EG越大,则击穿电压
VB越高;约化杂质浓度N0
越低,VB越高。对于单边突变结,N0
就是低掺杂一侧的杂质浓度,因此
击穿电压也取决于低掺杂一侧,该侧的杂质浓度越低,则
VB越高。第三十页,共四十五页,编辑于2023年,星期六对于线性缓变结,第三十一页,共四十五页,编辑于2023年,星期六结面曲率半径的影响由扩散工艺所形成的PN结,在结面的四周和四角会形成柱面与球面。结深xj
越小,曲率半径就越小,电场就越集中,击穿电压VB也就越低,且多发生在表面而不是体内。第三十二页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.4.2齐纳击穿
隧道效应:由于电子具有波动性,可以有一定的几率穿过势垒。势垒越薄,隧道效应就越明显。由于存在隧道效应,使价带中不具有
EG能量的A点电子可有一定的几率穿过隧道到达导带中的B点,从而进入
N区形成反向电流。电子能量电子动能x第三十三页,共四十五页,编辑于2023年,星期六随着反向电压的提高,增大,隧道长度d缩短,使反向电流增大。当反向电压增大到使达到临界值时,d
变的足够小,使反向电流急剧增大,这种现象就称为
齐纳击穿,或
隧道击穿。硅和锗PN结的齐纳击穿临界电场分别为1200kV/cm和200kV/cm。第三十四页,共四十五页,编辑于2023年,星期六反向电压V↑→功率PC
=VI0↑→结温Tj↑→I0↑当Tj
不受控制的不断上升时,将导致PN结的烧毁,这就是
热击穿。热击穿是破坏性的,不可逆的。
2.4.3热击穿式中V为反向电压,Tj
为PN结的结温。第三十五页,共四十五页,编辑于2023年,星期六半导体材料的禁带宽度
EG越大,则
I0越小,热稳定性就越好,因此硅PN结的热稳定性优于锗PN结。由于
PN结的反向电流
I0极小,所以功率损耗
PC也极小,一般并不容易发生热击穿。实际上热击穿往往发生在已经出现电击穿,因而反向电流比较大的情况下。或者发生在正向时,因为正向电流不但很大,而且也有正的温度系数。
第三十六页,共四十五页,编辑于2023年,星期六势垒电容CT
2.5PN
结的势垒电容PN结电容扩散电容CD第三十七页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.5.1势垒电容的定义
当外加电压有(-V)的变化时,势垒区宽度发生变化,使势垒区中的空间电荷也发生相应的Q
的变化,如下图。P区N区
PN
结势垒微分电容CT
的定义为简称为
势垒电容。(2-126)
第三十八页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
势垒电容CT可以表示为(2-127)
第三十九页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.5.2突变结的势垒电容
于是可得:式中,(2-130)
根据势垒电容的定义,第四十页,共四十五页,编辑于2023年,星期六
2.5.3线性缓变结的势垒电容当外加较大反向电压
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