《pn結(jié)二極管》PPT課件

1、第八章 pn結(jié)二極管,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,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,0偏,正偏,反偏,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

2、子能越過勢壘到達(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,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。,正偏時的能帶/電路混合圖,3.反向偏置： 勢壘高度變高，n型一側(cè)幾乎沒有電子能越過勢壘進(jìn)入p區(qū)，p區(qū)一

3、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)。,反偏時的能帶/電路混合圖,8.1.2 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 0xxn （2）小注入條件：p區(qū)：npp0 n區(qū)：pnn0 （3）pn結(jié)內(nèi)電子電流和空穴電流為連續(xù)函數(shù) pn結(jié)內(nèi)的總電流處處相等（穩(wěn)態(tài)）,(4) 忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復(fù)合，即認(rèn)為 電子、空穴通過勢壘區(qū)所需時間很短，

4、來不及產(chǎn)生與復(fù)合，故通過 勢壘區(qū)的電子電流和空穴電流為恒定值。,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,Figure 8.3,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,方法步驟： （1）邊界條件 （2）擴(kuò)散方程 （3）求解方程得到少子分布函數(shù)表達(dá)式 （4）由少子分布函數(shù)求出流過pn結(jié)的電流,Figure 8.3,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,邊界條件：在空間耗盡層邊界：,pn結(jié)定律：,Figure 8.4,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,p區(qū),n區(qū),（1）邊界條件：,P區(qū),擴(kuò)散方程,邊界條件,通解,特解,電子電流,擴(kuò)散方程,邊界條件,通解,滿足邊界條件的特解,電子的擴(kuò)散電流密度,n區(qū),8.1.2 理想

5、的電流-電壓關(guān)系,隨溫度的升高，本征載流子濃度升高，飽和電流增加，二極管的正向電流和反向電流都會隨溫度增加而升高。,正偏時的過剩少子濃度分布,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,電子電流和空穴電流的分布圖,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,8.1.2 理想的電流-電壓關(guān)系,Figure 8.8,反向偏置下p-n結(jié)費米能級,短二極管,n區(qū)或p區(qū)的寬度遠(yuǎn)小于少子的擴(kuò)散長度的二極管叫短二極管 P區(qū)的擴(kuò)散方程，邊界條件和求解結(jié)果與前面的完全一致。,擴(kuò)散方程,邊界條件,通解,滿足邊界條件的特解,n區(qū),8.2 產(chǎn)生-復(fù)合流,理想電流-電壓方程與小注入下Ge p-n結(jié)的實驗結(jié)

6、果符合較好， 與Si和GaAs p-n結(jié)的實驗結(jié)果偏離較大。 實際p-n結(jié)的I-V特性： （1）正向電流小時，實驗值遠(yuǎn)大于理論計算值，曲線斜率q/2kT （2）正向電流較大時，理論計算值比實驗值大（c段） （3）正向電流更大時，J-V關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系 （4）反向偏壓時，實際反向電流比理論計算值大得多，而且 隨反向電壓的增加略有增加。,耗盡層中載流子的復(fù)合和產(chǎn)生,8.2.1 反偏產(chǎn)生電流,反偏時，勢壘區(qū)電場加強(qiáng)，耗盡層中載流子的 濃度將會下降，低于平衡值，導(dǎo)致耗盡層中電子-空穴的產(chǎn)生，復(fù)合中心產(chǎn)生的電子、空穴來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場掃出勢壘區(qū)，形成產(chǎn)生電流IG, 因此增大了反向電流,F

7、igure 8.17,勢壘區(qū)寬度W隨反向偏壓的增加而變寬， JG隨反向電壓增加而增加，所以勢壘區(qū)產(chǎn)生的電流是不飽和的，反向總電流IR隨反向偏壓增加而緩慢地增加。,總反向電流：IR=I0+IG,反偏產(chǎn)生流JG的推導(dǎo),由復(fù)合理論得到過剩電子與空穴的復(fù)合率的表達(dá)式為：,對于反偏pn結(jié)，耗盡層內(nèi)存在可移動的電子-空穴濃度很少，np 0,為簡單起見，假設(shè)復(fù)合中心能級處于本征費米能級所在的位置，則：,8.2.2正偏復(fù)合流,在正向偏壓時，耗盡層內(nèi)的載流子濃度高于其熱平衡值，導(dǎo)致耗盡區(qū)載流子的復(fù)合。而形成正向復(fù)合電流JR,正偏復(fù)合電流的推導(dǎo),分子分母同除以CnCpNt,得：,總正偏電流,8.2 pn 結(jié)的小信

8、號模型,二極管的小信號響應(yīng)特性：直流（Va）偏置下，加一正弦電壓va，流過二極管的電流I+i，此時pn結(jié)二極管的小信號特性就會變的非常重要,8.2.1 擴(kuò)散電阻,假設(shè)二極管外加直流正偏壓V0時的直流電流為IDQ,二極管的擴(kuò)展電阻,勢壘電容C j：形成空間電荷區(qū)的電荷隨外加電壓變化 擴(kuò)散電容Cd：p-n結(jié)兩邊擴(kuò)散區(qū)中，當(dāng)加正向偏壓時， 有少子的注入，并積累電荷，它也隨外 電壓而變化.擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電 壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,pn結(jié)的電容,8.2.2 小信號導(dǎo)納,pn結(jié)的擴(kuò)散電容 正向偏置時，多數(shù)載流子進(jìn)入和離開穩(wěn)態(tài)耗盡層引起的結(jié)電容和反向偏置時一樣。二極管正偏時在耗盡區(qū)邊界的準(zhǔn)中性區(qū)

9、內(nèi)引起少數(shù)載流子的積累。隨著正向偏壓的增加，少子的積累越來越明顯。在直流偏壓V0，少子分布如圖中虛線所示。再加交流小信號，少數(shù)載流子就會在直流值附近張落，即va0,（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，少子電荷存儲量的變化與電壓變化量的比值即為擴(kuò)散電容Cd,(c),(a),8.2.3小信號導(dǎo)納-等效電路,小信號導(dǎo)納,等效電阻r, 等效電容C，容抗1/jc r與C并聯(lián)， 總電阻 導(dǎo)納：,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.,In0,Ip0為直流靜態(tài)時的電子和空穴擴(kuò)散流,8.4 pn結(jié)的擊

10、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 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,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,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,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,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

11、，但傳遞給晶格的能量少。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,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)=MnIn0 Mn為倍增因子 空穴電流也類似,耗盡層中任一點x處的增量電子電流可表達(dá)為：,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）,使倍增因子達(dá)到無窮大的電壓定義為雪崩電壓，即：,電離率是電場的函數(shù),擊穿電壓,P+n和n+p突變結(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)

12、雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系圖,雪崩倍增是主要擊穿過程,單邊突變結(jié)和線性緩變結(jié)的擊穿電壓隨摻雜濃度的變化曲線,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10-6cm,8.6 隧道二極管,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,8.6隧道二極管,熱平衡時的能帶圖,隧道二極管勢壘的 三角形勢近似,隧道二極管電流電壓特性的定性討論 零偏， 電流，電壓均為零 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 n區(qū)內(nèi)的

13、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，遂穿電流達(dá)到最大值 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 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),8.6隧道二極管,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。,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?/p>

14、向飽和電流I0,而是先經(jīng)過一個較大的恒定反向電流IR階段，然后再逐漸衰減到I0.,8.5.1 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。,8.5.1 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,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

15、累。導(dǎo)致p-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,（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,2.存貯延遲時間的定量分析,為簡單起見，以p+n結(jié)為例。 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：,因為當(dāng)0tts 時， i=-IR，所以有,i類似擴(kuò)散流,分離變量積分得,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。,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。,結(jié)論：存貯時間隨著IF的增加而增加，隨著IR