《pn结二极管》PPT课件

1、第八章 pn结二极管,第八章pn结二极管,8.1 pn 结二极管的I-V特性 8.2 pn 结的小信号模型 8.3 产生-复合流（与理想I-V特性的偏离） 8.4 pn 结的击穿 8.5 pn结的瞬态特性 8.6 隧道二极管,8.1 pn 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,0偏,正偏,反偏,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

2、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,8.1 pn 结电流,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。,正偏时的能带/电路混合图,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

3、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。,反偏时的能带/电路混合图,8.1.2 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 -xpxxn （耗尽层近似） (x)= -qNA -xpx0 qND 0xxn （2）小注入条件：p区：npp0 n区：pnn0 （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）,(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，

4、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,Figure 8.3,8.1.2 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,Figure 8.3,8.1.2 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：,Figure 8.4,8.1.2 理想的电流-电压关系,p区,n区,（1）边界条件：,P区,扩散方程,边界条件,通解,特解,电子电流,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,8.1.2 理想

5、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。,正偏时的过剩少子浓度分布,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,8.1.2 理想的电流-电压关系,8.1.2 理想的电流-电压关系,Figure 8.8,反向偏置下p-n结费米能级,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。,扩散方程,边界条件,通解,满足边界条件的特解,n区,8.2 产生-复合流,理想电流-电压方程与小注入下Ge p-n结的实验结

6、果符合较好， 与Si和GaAs p-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。,耗尽层中载流子的复合和产生,8.2.1 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,F

7、igure 8.17,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,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，np 0,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：,8.2.2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JR,正偏复合电流的推导,分子分母同除以CnCpNt,得：,总正偏电流,8.2 pn 结的小信

8、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,8.2.1 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,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,8.2.2 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

9、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va0,（正半周期） 少子积累增加，va0,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Cd,(c),(a),8.2.3小信号导纳-等效电路,小信号导纳,等效电阻r, 等效电容C，容抗1/jc r与C并联， 总电阻 导纳：,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,8.4 pn结的击

10、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,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,反向偏置pn结二极管中 齐纳击穿过程的示意图,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VBR4Eg/e,齐纳过程起主导作用。,齐纳击穿,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

11、，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,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)=MnIn0 Mn为倍增因子 空穴电流也类似,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）,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,P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧

12、杂质浓度的变化关系图,雪崩倍增是主要击穿过程,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,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10-6cm,8.6 隧道二极管,n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,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

13、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,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。,8.5 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

14、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.,8.5.1 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,（1）0tts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,1.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

15、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,（2）在0 t ts时间内二极管是如何保持正偏的？,在0 t ts时间段p+n二极管中存贮空穴电荷随时间的衰减,2.存贮延迟时间的定量分析,为简单起见，以p+n结为例。 在p+n结中，存贮在n型一侧的空穴为QP, 存贮在p型一侧的电子可忽略。 QP满足连续性方程：,因为当0tts 时， i=-IR，所以有,i类似扩散流,分离变量积分得,结论：,存贮时间随着IF的增加而增加，随着IR的增加而减少，并且与p成正比。,例题 定性分析IF，IR，p等对电荷存储时间和反响恢复时间即对i-t时间曲线的影响。,结论：存贮时间随着IF的增加而增加，随着IR