第八章-pn结二极管课件

第八章pn结二极管第八章pn结二极管1第八章pn结二极管8.1pn结二极管的I-V特性8.2pn结的小信号模型8.3产生-复合流（与理想I-V特性的偏离）8.4pn结的击穿8.5pn结的瞬态特性8.6隧道二极管第八章pn结二极管8.1pn结二极管的I-V特性28.1pn结电流

将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数之间建立定性和定量的关系。1.定性推导：分析过程，处理方法2.定量推导：建立理想模型-写少子扩散方程，边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。3.分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因8.1pn结电流将二极管电流和器件内部的工作机理，器30偏正偏反偏0偏正偏反偏4

1.热平衡状态电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数高能量的电子能越过势垒到达P区，形成扩散流。P区的电子到达n区不存在势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进n区，形成漂移流。热平衡：电子的扩散流=漂移流空穴的情况与电子类似8.1pn结电流

1.热平衡状态电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒52.加正偏电压势垒高度降低，n型一侧有更多的电子越过势垒进入p区，形成净电子扩散电流IN，同理可分析空穴形成扩散电流IP。流过pn结的总电流I=IN+IP。因为势垒高度随外加电压线性下降，而载流子浓度随能级指数变化，所以定性分析可得出正偏时流过pn结的电流随外加电压指数增加。2.加正偏电压势垒高度降低，n型一侧有更多的电子越过势垒进6正偏时的能带/电路混合图正偏时的能带/电路混合图7

3.反向偏置：势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成少子漂移流，同理n区的空穴漂移形成IP，因与少子相关，所以电流很小，又因为少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。3.反向偏置：8反偏时的能带/电路混合图反偏时的能带/电路混合图9第八章-pn结二极管ppt课件108.1.2理想的电流-电压关系理想p-n结，满足以下条件的p-n结（1）杂质分布为非简并掺杂的突变结

p=n0-xp<x<xn

（耗尽层近似）(x)=-qNA-xp<x<0qND0<x<xn（2）小注入条件：p区：n<<pp0n区：p<<nn0

（3）pn结内电子电流和空穴电流为连续函数pn结内的总电流处处相等（稳态）

8.1.2理想的电流-电压关系理想p-n结，满足以下条件的11(4)忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、空穴通过势垒区所需时间很短，来不及产生与复合，故通过势垒区的电子电流和空穴电流为恒定值。8.1.2理想的电流-电压关系(4)忽略耗尽区内的产生与复合，即认为电子、空穴通过12Figure8.3Figure8.3138.1.2理想的电流-电压关系方法步骤：（1）边界条件（2）扩散方程（3）求解方程得到少子分布函数表达式（4）由少子分布函数求出流过pn结的电流8.1.2理想的电流-电压关系方法步骤：14Figure8.3Figure8.3158.1.2理想的电流-电压关系边界条件：在空间耗尽层边界：

pn结定律：8.1.2理想的电流-电压关系边界条件：在空间耗尽层边界：16Figure8.48.1.2理想的电流-电压关系Figure8.48.1.2理想的电流-电压关系17p区n区（1）边界条件：p区n区（1）边界条件：18P区扩散方程边界条件通解特解电子电流P区扩散方程边界条件通解特解电子电流19扩散方程边界条件通解满足边界条件的特解电子的扩散电流密度n区扩散方程边界条件通解满足边界条件的特解电子的扩散电流密度n区208.1.2理想的电流-电压关系随温度的升高，本征载流子浓度升高，饱和电流增加，二极管的正向电流和反向电流都会随温度增加而升高。8.1.2理想的电流-电压关系随温度的升高，本征载流子浓度21正偏时的过剩少子浓度分布8.1.2理想的电流-电压关系正偏时的过剩少子浓度分布8.1.2理想的电流-电压关系22电子电流和空穴电流的分布图8.1.2理想的电流-电压关系电子电流和空穴电流的分布图8.1.2理想的电流-电压关系238.1.2理想的电流-电压关系8.1.2理想的电流-电压关系248.1.2理想的电流-电压关系8.1.2理想的电流-电压关系25Figure8.8Figure8.826第八章-pn结二极管ppt课件27第八章-pn结二极管ppt课件28反向偏置下p-n结费米能级反向偏置下p-n结费米能级29短二极管n区或p区的宽度远小于少子的扩散长度的二极管叫短二极管P区的扩散方程，边界条件和求解结果与前面的完全一致。短二极管n区或p区的宽度远小于少子的扩散长度的二极管叫短二极30扩散方程边界条件通解满足边界条件的特解n区扩散方程边界条件通解满足边界条件的特解n区31第八章-pn结二极管ppt课件328.2产生-复合流理想电流-电压方程与小注入下Gep-n结的实验结果符合较好，与Si和GaAsp-n结的实验结果偏离较大。实际p-n结的I-V特性：（1）正向电流小时，实验值远大于理论计算值，曲线斜率q/2kT（2）正向电流较大时，理论计算值比实验值大（c段）（3）正向电流更大时，J-V关系不是指数关系，而是线性关系（4）反向偏压时，实际反向电流比理论计算值大得多，而且随反向电压的增加略有增加。8.2产生-复合流理想电流-电压方程与小注入下Gep-n33耗尽层中载流子的复合和产生耗尽层中载流子的复合和产生348.2.1反偏产生电流

反偏时，势垒区电场加强，耗尽层中载流子的浓度将会下降，低于平衡值，导致耗尽层中电子-空穴的产生，复合中心产生的电子、空穴来不及复合就被强电场扫出势垒区，形成产生电流IG,因此增大了反向电流8.2.1反偏产生电流反偏时，势垒区电场加强，耗尽层35Figure8.17Figure8.1736第八章-pn结二极管ppt课件37势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽，JG随反向电压增加而增加，所以势垒区产生的电流是不饱和的，反向总电流IR随反向偏压增加而缓慢地增加。总反向电流：IR=I0+IG势垒区宽度W随反向偏压的增加而变宽，JG随反向电压增加而增38反偏产生流JG的推导由复合理论得到过剩电子与空穴的复合率的表达式为：对于反偏pn结，耗尽层内存在可移动的电子-空穴浓度很少，np0反偏产生流JG的推导由复合理论得到过剩电子与空穴的复合率的表39为简单起见，假设复合中心能级处于本征费米能级所在的位置，则：为简单起见，假设复合中心能级处于本征费米能级所在的位置，则：40第八章-pn结二极管ppt课件418.2.2正偏复合流

在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度高于其热平衡值，导致耗尽区载流子的复合。而形成正向复合电流JR8.2.2正偏复合流在正向偏压时，耗尽层内的载流子浓度42第八章-pn结二极管ppt课件43正偏复合电流的推导分子分母同除以CnCpNt,得：正偏复合电流的推导分子分母同除以CnCpNt,得：44第八章-pn结二极管ppt课件45第八章-pn结二极管ppt课件46第八章-pn结二极管ppt课件47总正偏电流总正偏电流48第八章-pn结二极管ppt课件498.2pn结的小信号模型二极管的小信号响应特性：直流（Va）偏置下，加一正弦电压va，流过二极管的电流I+i，此时pn结二极管的小信号特性就会变的非常重要8.2pn结的小信号模型二极管的小信号响应特性：直流（V508.2.1扩散电阻假设二极管外加直流正偏压V0时的直流电流为IDQ二极管的扩展电阻8.2.1扩散电阻假设二极管外加直流正偏压V0时的直流电流51势垒电容C

j：形成空间电荷区的电荷随外加电压变化扩散电容Cd：p-n结两边扩散区中，当加正向偏压时，有少子的注入，并积累电荷，它也随外电压而变化.扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应。pn结的电容势垒电容Cj：形成空间电荷区的电荷随外加电压变化pn结的52第八章-pn结二极管ppt课件538.2.2小信号导纳pn结的扩散电容

正向偏置时，多数载流子进入和离开稳态耗尽层引起的结电容和反向偏置时一样。

二极管正偏时在耗尽区边界的准中性区内引起少数载流子的积累。随着正向偏压的增加，少子的积累越来越明显。在直流偏压V0，少子分布如图中虚线所示。再加交流小信号，少数载流子就会在直流值附近张落，即va>0,（正半周期）

少子积累增加，va<0,少子积累减小。随着外加电压的变化，Q被交替地充电和放电，少子电荷存储量的变化与电压变化量的比值即为扩散电容Cd8.2.2小信号导纳pn结的扩散电容54第八章-pn结二极管ppt课件55(c)(a)8.2.3小信号导纳-等效电路(c)(a)8.2.3小信号导纳-等效电路56小信号导纳等效电阻r,等效电容C，容抗1/jcr与C并联，总电阻导纳：小信号导纳等效电阻r,等效电容C，容抗1/jc57导纳关系式的数学分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流过二极管的i,Y=i/va.

In0,Ip0为直流静态时的电子和空穴扩散流导纳关系式的数学分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流588.4pn结的击穿当反向电流超过允许的最大值时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR形成反偏pn结击穿的物理机制有齐纳击穿和雪崩击穿8.4pn结的击穿当反向电流超过允许的最大值时对应的反向电59齐纳击穿隧穿效应：量子力学中，当势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于10-6cm隧穿过程示意图齐纳击穿隧穿效应：量子力学中，当势垒比较薄时，粒子能穿过势垒60反向偏置pn结二极管中齐纳击穿过程的示意图齐纳击穿反向偏置pn结二极管中齐纳击穿61二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺杂一侧的杂质浓度高于1017cm,齐纳过程比较显著，对应的二极管的击穿电压比较小，当VBR<4Eg/e,齐纳过程起主导作用。齐纳击穿二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺杂一侧的杂质浓62雪崩击穿小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞，但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格原子“电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。雪崩击穿示意图雪崩击穿小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞，但传递63假设在x=0处，反偏电子电流In0进入了耗尽区,由于雪崩效应的存在，电子电流In会随距离增大而增大，如图所示：在x=W处，电子电流In(W)=MnIn0Mn为倍增因子空穴电流也类似假设在x=0处，反偏电子电流In0进入了耗尽区,由于雪崩效64耗尽层中任一点x处的增量电子电流可表达为：n,p分别为电子与空穴的电离率。即：单位电子（n）或单位空穴（p）在单位长度内碰撞产生的电子空穴对（1）（2）耗尽层中任一点x处的增量电子电流可表达为：n,p分别为电65第八章-pn结二极管ppt课件66使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩电压，即：电离率是电场的函数击穿电压使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩电压，即：电离率是电场67第八章-pn结二极管ppt课件68P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图雪崩倍增是主要击穿过程P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系69单边突变结和线性缓变结的击穿电压随掺杂浓度的变化曲线单边突变结和线性缓变结的击穿电压随掺杂浓度的变化曲线70

隧穿效应：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。

隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于10-6cm8.6隧道二极管隧穿效应：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达71n区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管

n型材料的费米能级进入导带，p型材料的费米能级进入价带8.6隧道二极管热平衡时的能带图隧道二极管势垒的三角形势近似n区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管8.6隧道二极管72隧道二极管电流电压特性的定性讨论零偏，电流，电压均为零加很小正偏压，n区导带中的电子与P区价带中的空态直接对应，发生遂穿，形成电流n区内的导带与p区内的价带中，能量相同的量子态达到最多，遂穿电流达到最大值偏压继续增大，n区与p区中能量相同的量子态在减少，遂穿电流下降n区与p区中能量相同的量子态数为零，遂穿电流为零，但扩散电流仍然存在。电流随电压增大而减小的区域，称为负微分电阻区隧道二极管电流电压特性的定性讨论738.6隧道二极管加反偏电压的隧道二极管的能带图如图所示，p区价带中的电子与n区导带中的空量子态直接对应，因此电子从p区遂穿到n区，形成较大反偏电流，任何反偏电压都会形成反偏电流，随反偏电压的增大，反偏电流单调增大。8.6隧道二极管加反偏电压的隧道二极管的能带图如图所示，p区748.5电荷存储与二极管瞬态

正向时有电流IF流过p-n结；然后开关S接到右边，加一反向偏压，此时通过p-n结的电流并不是立即变为反向饱和电流I0,而是先经过一个较大的恒定反向电流IR阶段，然后再逐渐衰减到I0.8.5电荷存储与二极管瞬态正向时有电流IF流过p-n758.5.1关瞬态p-n结的反向瞬变过程可分为电流恒定和电流衰减两个阶段，相应的瞬变时间分别以ts和tr表示。ts称为存储时间；tr称为下降时间，trr=ts+tr即为反向恢复时间,(它是反向电流衰减到它的最大值的10%所需的时间）它比偏压从正向突变为反向的瞬变时间长的多。8.5.1关瞬态p-n结的反向瞬变过程可分为电流恒定和电流768.5.1关瞬态（1）0<t<ts区间pn结保持正偏，（少子积累）即使外加电压达到使它反偏的程度也仍然如此8.5.1关瞬态（1）0<t<ts区间pn结保持正偏，（少771.存贮延迟的的定性分析（1）电荷存储和反向恢复时间正偏时，电子从n区注入到p区，空穴从p区注入到n区，在耗尽层边界有少子的积累。导致p-n结内有等量的过剩电子和空穴电荷的存储。突然反向时，这些存储电荷不能立即去除，积累电荷消除有两种途径：复合和漂移。都需要经过一定时间ts,p-n结才能达到反偏状态，这个时间为反向恢复时间1.存贮延迟的的定性分析（1）电荷存储和反向恢复时间78（2）在0<t<ts时间内二极管是如何保持正偏的？在0<t<ts时