半导体器件物理-理想PN结与实际情况偏离.pdf

西安电子科技大学西安电子科技大学 微电子学院微电子学院 Physics of Physics of Semiconductor DevicesSemiconductor Devices 双极型器件物理(双语) 游海龙 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.2 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 第一章：第一章：PN结二极管结二极管 11 平衡平衡PN结定性分析结定性分析 12 平衡平衡PN结定量分析结定量分析 13 理想理想PN结直流伏安特性结直流伏安特性 14 实际（实际（Si）PN结直流结直流I-V特性与理想模型的偏离特性与理想模型的偏离 15 PN结交流小信号特性结交流小信号特性 16 PN结瞬态特性结瞬态特性 17 PN结击穿结击穿 18 二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.3 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 回顾回顾 理想理想PN结伏安特性的结伏安特性的定性定性分析分析 图8.7 PN结直流伏安特性 PN结二极管具有单向导电 Equilibrium Forward Bias Reverse Bias XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.4 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 第七讲第七讲实际（实际（Si）PN结直流结直流I-V特性与理想的偏离特性与理想的偏离 势垒产生电流对反向电流的影响势垒产生电流对反向电流的影响 2 势垒复合电流对正向小电流特性的影响势垒复合电流对正向小电流特性的影响 3 大注入对大注入对PN结正向大电流特性结正向大电流特性 4 Ideal vs. Real IV-Characteristic 1 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.5 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 一、一、Ideal vs. Real IV-Characteristic 在绝大多数电压范围内，特性曲线与理论结果相吻合。正向偏在绝大多数电压范围内，特性曲线与理论结果相吻合。正向偏 置电流随外加电压迅速上升，而反向偏置电流在大部分测量电置电流随外加电压迅速上升，而反向偏置电流在大部分测量电 压范围内都保持很小且几乎为零压范围内都保持很小且几乎为零。 正向：只有中等电流时，理正向：只有中等电流时，理 论与实验符合论与实验符合 )(VV )(AI 反向：实验值大于理论值，反向：实验值大于理论值， 且随反向偏压的增加缓慢且随反向偏压的增加缓慢 的增加。的增加。 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.6 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 一、一、Ideal vs. Real IV-Characteristic 1.正向特性的两点偏离 一般的电流范围内，实际情况基本理想模型符合； 在很小电流范围：实际电流大于理想电流模型结果； 大电流范围：实际电流小于理想模型结果。 而且很小电流范围与大电流范围，电流与外加电压的关系为 ：Exp（eVa/2kT） 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.7 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 一、一、Ideal vs. Real IV-Characteristic 2.反向特性的两点偏离 实际反向电流大于理想模型结果； 实际反向电流不饱和，即随着反偏电压绝对值的增大而增大 3.实际I-V曲线与理想I-V曲线的对比 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.8 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二、势垒产生电流对反向电流的影响二、势垒产生电流对反向电流的影响 Deviations from ideal diode characteristic: Reverse-bias breakdown Non-saturating “saturation” current Diode characteristic in forward direction deviates from ideal exponential behavior at low and high currents 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.9 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二、势垒产生电流对反向电流的影响二、势垒产生电流对反向电流的影响 微电子学院 1.定性分析：定性分析： 耗尽层载流子的热复合产生，是室温下硅耗尽层载流子的热复合产生，是室温下硅pn结在正向小偏结在正向小偏 压和全部反向偏压下的电流远大于理论预测值的主要原因。压和全部反向偏压下的电流远大于理论预测值的主要原因。 有外加偏压时，耗尽层中任一点的载流子浓度满足如下公式有外加偏压时，耗尽层中任一点的载流子浓度满足如下公式 2 2 2 ( ) ( ) eV i kT i i nforwardbias n x p xn e nreverse bias 耗尽层耗尽层 正偏：有净复合正偏：有净复合 反偏：有净产生反偏：有净产生 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.10 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二、势垒产生电流对反向电流的影响二、势垒产生电流对反向电流的影响 微电子学院 Reverse Biasing Carrier densities in the depletion region below the equilibrium concentrations,resulting in increased carrier generation XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.11 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二、势垒产生电流对反向电流的影响二、势垒产生电流对反向电流的影响 2.定量分析： 微电子学院 Carrier concentrations in depletion region are small: n 0 ni and p 0 ni, thus the integral becomes XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.12 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二、势垒产生电流对反向电流的影响二、势垒产生电流对反向电流的影响 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.13 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 附附 本节专业词汇本节专业词汇 微电子学院 PN Junction I-V Characteristics: Current increases exponentially in forward direction Small saturation current I0 in reverse direction Saturation current strongly depends on ni, i.e. on the temperature and the semiconductor material Saturation current is proportional to the minority carrier density Contribution of the lower doped side of the pn- junction dom