pn結(jié)二極管PPT課件

1、第八章pn結(jié)二極管8.1 pn 結(jié)二極管的I-V特性8.2 pn 結(jié)的小信號模型8.3 產(chǎn)生-復(fù)合流（與理想I-V特性的偏離）8.4 pn 結(jié)的擊穿8.5 pn結(jié)的瞬態(tài)特性8.6 隧道二極管第1頁/共85頁8.1 pn 結(jié)電流 將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理，器件參數(shù)之間建立定性和定量的關(guān)系。 1.定性推導(dǎo)： 分析過程，處理方法2.定量推導(dǎo)： 建立理想模型-寫少子擴(kuò)散方 程，邊界條件-求解少子分布函數(shù)-求擴(kuò)散電流-結(jié)果分析。3.分析實際與理想公式的偏差，造成偏差的原因第2頁/共85頁0偏正偏反偏第3頁/共85頁1.熱平衡狀態(tài)電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)需有足夠的能量克服“勢壘”。只有少數(shù)高能量的電子

2、能越過勢壘到達(dá)P區(qū)，形成擴(kuò)散流。P區(qū)的電子到達(dá)n區(qū)不存在勢壘，但是少子，少數(shù)電子一旦進(jìn)入耗盡層，內(nèi)建電場就將其掃進(jìn)n區(qū)，形成漂移流。熱平衡：電子的擴(kuò)散流=漂移流空穴的情況與電子類似8.1 pn 結(jié)電流第4頁/共85頁2.加正偏電壓勢壘高度降低， n型一側(cè)有更多的電子越過勢壘進(jìn)入p區(qū)，形成凈電子擴(kuò)散電流IN，同理可分析空穴形成擴(kuò)散電流IP。流過pn結(jié)的總電流I=IN+IP。因為勢壘高度隨外加電壓線性下降，而載流子濃度隨能級指數(shù)變化，所以定性分析可得出正偏時流過pn結(jié)的電流隨外加電壓指數(shù)增加。第5頁/共85頁正偏時的能帶/電路混合圖第6頁/共85頁 3.反向偏置： 勢壘高度變高，n型一側(cè)幾乎沒有電

3、子能越過勢壘進(jìn)入p區(qū)，p區(qū)一側(cè)有相同數(shù)目的電子進(jìn)入耗盡層掃入n區(qū)，形成少子漂移流，同理n區(qū)的空穴漂移形成IP，因與少子相關(guān)，所以電流很小，又因為少子的漂移與勢壘高度無關(guān)，所以反向電流與外加電壓無關(guān)。第7頁/共85頁反偏時的能帶/電路混合圖第8頁/共85頁第9頁/共85頁理想的電流-電壓關(guān)系理想p-n結(jié)，滿足以下條件的p-n結(jié)（1）雜質(zhì)分布為非簡并摻雜的突變結(jié) p=n0 -xpxxn （耗盡層近似） (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn（2）小注入條件：p區(qū)：npp0 n區(qū)：p0,（正半周期） 少子積累增加，va0,少子積累減小。隨著外加電壓的變化， Q被交替地充電和放電，少子電荷

4、存儲量的變化與電壓變化量的比值即為擴(kuò)散電容Cd第53頁/共85頁第54頁/共85頁(c)(a)小信號導(dǎo)納-等效電路第55頁/共85頁小信號導(dǎo)納n等效電阻r, 等效電容C，容抗1/j cnr與C并聯(lián)，n總電阻n導(dǎo)納：ddCjgRY1ddCjgCjrR11第56頁/共85頁導(dǎo)納關(guān)系式的數(shù)學(xué)分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流過二極管的i,Y=i/va. )(2)(000000nnPPdDQnPddDIIkTeCkTeIIIkTegCjgY與In0,Ip0為直流靜態(tài)時的電子和空穴擴(kuò)散流第57頁/共85頁8.4 pn結(jié)的擊穿 當(dāng)反向電流超過允許的最大值時對應(yīng)的反向電壓的絕對值稱為擊穿電壓VBR

5、 形成反偏pn結(jié)擊穿的物理機(jī)制有齊納擊穿和雪崩擊穿第58頁/共85頁齊納擊穿隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，當(dāng)勢壘比較薄時，粒子能穿過勢壘到達(dá)另一邊。隧穿發(fā)生的兩個條件：1、勢壘一邊有填充態(tài)，另 一邊同能級有未填充態(tài)2、勢壘寬度小于10-6cm隧穿過程示意圖第59頁/共85頁反向偏置pn結(jié)二極管中齊納擊穿過程的示意圖齊納擊穿第60頁/共85頁 二極管的耗盡層寬度小于10-6cm，輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度高于1017cm,齊納過程比較顯著，對應(yīng)的二極管的擊穿電壓比較小，當(dāng)VBR4Eg/e,齊納過程起主導(dǎo)作用。齊納擊穿第61頁/共85頁雪崩擊穿小的反向電壓時，載流子穿過耗盡層邊加速邊碰撞，但傳遞給晶格的能量少。

6、大的反向電壓碰撞使晶格原子“電離”，即引起電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子空穴對。雪崩擊穿示意圖第62頁/共85頁假設(shè)在x=0處，反偏電子電流In0進(jìn)入了耗盡區(qū), 由于雪崩效應(yīng)的存在，電子電流In會隨距離增大而增大，如圖所示：在x=W處，電子電流In(W)=MnIn0Mn為倍增因子空穴電流也類似第63頁/共85頁 耗盡層中任一點x處的增量電子電流可表達(dá)為：ppnnnppnnnxIxIdxxdIdxxIdxxIxdI)()()()()()(n,p分別為電子與空穴的電離率。即：單位電子（ n）或單位空穴（ p）在單位長度內(nèi)碰撞產(chǎn)生的電子空穴對（1）（2）第64頁/共85頁dxMIIIIMdxII

7、IMdxIIWIdxIxdIIxIdxxdIxIIxIxIxIdxxdIxIIxIxIxIIWnnnnnWnnnWnnWnpnpnnpnpnnnppnnnnppn000000011)0(,)0()0()()()()()()()()()()(),()()()(，則令則總電流：第65頁/共85頁 使倍增因子達(dá)到無窮大的電壓定義為雪崩電壓，即：10Wdx電離率是電場的函數(shù)BcritSBeNEV22擊穿電壓第66頁/共85頁第67頁/共85頁P+n和n+p突變結(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系圖75. 01BBRNV雪崩倍增是主要擊穿過程第68頁/共85頁單邊突變結(jié)和線性緩變結(jié)的擊穿電壓隨摻雜

8、濃度的變化曲線第69頁/共85頁 隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，勢壘比較薄時，粒子能穿過勢壘到達(dá)另一邊。 隧穿發(fā)生的兩個條件：1、勢壘一邊有填充態(tài)，另 一邊同能級有未填充態(tài)2、勢壘寬度小于10-6cm8.6 隧道二極管第70頁/共85頁 n區(qū)和p區(qū)都為簡并摻雜的pn結(jié)稱為隧道二極管 n型材料的費米能級進(jìn)入導(dǎo)帶，p型材料的費米能級進(jìn)入價帶熱平衡時的能帶圖隧道二極管勢壘的三角形勢近似第71頁/共85頁隧道二極管電流電壓特性的定性討論(a)零偏， 電流，電壓均為零(b)加很小正偏壓，n區(qū)導(dǎo)帶中的電子與P區(qū)價帶中的空態(tài)直接對應(yīng)，發(fā)生遂穿，形成電流(c)n區(qū)內(nèi)的導(dǎo)帶與p區(qū)內(nèi)的價帶中，能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多，遂

9、穿電流達(dá)到最大值(d)偏壓繼續(xù)增大，n區(qū)與p區(qū)中能量相同的量子態(tài)在減少，遂穿電流下降(e) n區(qū)與p區(qū)中能量相同的量子態(tài)數(shù)為零，遂穿電流為零，但擴(kuò)散電流仍然存在。電流隨電壓增大而減小的區(qū)域，稱為負(fù)微分電阻區(qū)第72頁/共85頁加反偏電壓的隧道二極管的能帶圖如圖所示，p區(qū)價帶中的電子與n區(qū)導(dǎo)帶中的空量子態(tài)直接對應(yīng)，因此電子從p區(qū)遂穿到n區(qū)，形成較大反偏電流，任何反偏電壓都會形成反偏電流，隨反偏電壓的增大，反偏電流單調(diào)增大。第73頁/共85頁8.5 電荷存儲與二極管瞬態(tài) 正向時有電流IF流過p-n結(jié)；然后開關(guān)S接到右邊，加一反向偏壓，此時通過p-n結(jié)的電流并不是立即變?yōu)榉聪蝻柡碗娏鱅0,而是先經(jīng)過一

10、個較大的恒定反向電流IR階段，然后再逐漸衰減到I0.第74頁/共85頁關(guān)瞬態(tài) p-n結(jié)的反向瞬變過程可分為電流恒定和電流衰減兩個階段，相應(yīng)的瞬變時間分別以ts和tr表示。ts稱為存儲時間；tr稱為下降時間，trr=ts+tr即為反向恢復(fù)時間,(它是反向電流衰減到它的最大值的10%所需的時間）它比偏壓從正向突變?yōu)榉聪虻乃沧儠r間長的多。第75頁/共85頁關(guān)瞬態(tài)（1）0tts區(qū)間pn結(jié)保持正偏，（少子積累）即使外加電壓達(dá)到使它反偏的程度也仍然如此第76頁/共85頁1.存貯延遲的的定性分析（1）電荷存儲和反向恢復(fù)時間正偏時，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到 n區(qū)，在耗盡層邊界有少子的積累。導(dǎo)致p

11、-n結(jié)內(nèi)有等量的過剩電子和空穴電荷的存儲。突然反向時，這些存儲電荷不能立即去除，積累電荷消除有兩種途徑：復(fù)合和漂移。都需要經(jīng)過一定時間ts, p-n結(jié)才能達(dá)到反偏狀態(tài)，這個時間為反向恢復(fù)時間第77頁/共85頁（2）在0 t ts時間內(nèi)二極管是如何保持正偏的？在0 t ts時間段p+n二極管中存貯空穴電荷隨時間的衰減第78頁/共85頁2.存貯延遲時間的定量分析n為簡單起見，以p+n結(jié)為例。n在p+n結(jié)中，存貯在n型一側(cè)的空穴為QP, 存貯在p型一側(cè)的電子可忽略。 QP滿足連續(xù)性方程：0PPPQidtdQ)(0PPRPQIdtdQ因為當(dāng)0tts 時， i=-IR，所以有)1ln(0RFpsIIti類似擴(kuò)散流分離變量積分得第79頁/共85頁結(jié)論：n 存貯時間隨著IF的增加而增加，隨著IR的增加而減少，并且與 p成正比。n例題 定性分析IF，IR， p等對電荷存儲時間和反響恢復(fù)時間即對i-t時間曲線的影響。第80頁/共85頁結(jié)論：存貯時間隨著IF的增加而增加，隨著IR的 增加而減少，并且與 p成正比。 制作開關(guān)二極管可通過縮短少子壽命提高開關(guān)速度，有目的的引入復(fù)合中心， 這個結(jié)論可用來測量少子壽命)1ln(RFpsIIt第81頁/共85頁瞬態(tài)開啟特性用電流或電壓脈沖把二極管從