半导体器件原理第二章.7

1、 由于由于PN 结具有单向导电性，故可用作开关。结具有单向导电性，故可用作开关。 理想开关的特性：理想开关的特性： 直流特性：直流特性：“开开” 态时电压为态时电压为 0，“关关” 态时电流为态时电流为 0 。 瞬态特性：打开的瞬间立即出现稳态电流，关断的瞬间电瞬态特性：打开的瞬间立即出现稳态电流，关断的瞬间电流立即消失。流立即消失。 本节讨论实际本节讨论实际 PN 结的开关特性。结的开关特性。 正向时正向时:LffREIV1, 0理想情况：理想情况：实际情况：实际情况：sLFfLfsFffsFfrRVEIRIrVEIIrVV11,或：,11LffsFREIIrVE时，当 这时这时If 只取决

2、于外电路。只取决于外电路。 可见，可见，rs 越小，越小，E1 越大，则越接近于理想情况。越大，则越接近于理想情况。1、正向压降与反向电流、正向压降与反向电流FVsrfsIrfILR01E 反向时反向时:理想情况：理想情况：实际情况：实际情况：0rIlLlorlLrorgRgEIIgRIEII1,22或 当当 gl 很小时，很小时， 另外，为增大另外，为增大 If 与与 Ir 之间的差别，之间的差别，也应采用较大的也应采用较大的 E1 。,orII lgrILR02 E2、开关速度、开关速度 t s 称为称为 存储时间存储时间，t f 称为称为 下降时间下降时间，t r= t s+ t f 称

3、为称为 反向反向恢复时间恢复时间。t r 持续的过程称为持续的过程称为 反向恢复过程反向恢复过程。 当当E= - -E2 的持续时间小于的持续时间小于t r 时，时，PN 结在反向时也处于导通结在反向时也处于导通状态，起不到开关的作用。状态，起不到开关的作用。 实际实际 PN 结的电流随阶跃电压的变化情形：结的电流随阶跃电压的变化情形： t t E E1 -E2 I ts t f I0LRE1LRE2 0 3、反向恢复过程、反向恢复过程 引起反向恢复过程的原因，是引起反向恢复过程的原因，是PN 结在正向导通期间存贮结在正向导通期间存贮在中性区中的非平衡少子电荷。在中性区中的非平衡少子电荷。 p

4、nonLxkTqVpxpexp1expN区区0np)0(np)(xpnfIx0Q 现以现以P+N 结为例。正向稳态时有：结为例。正向稳态时有： 上式将作为后面求解电荷方程时的初始条件，同时后一个上式将作为后面求解电荷方程时的初始条件，同时后一个式子就是空穴连续性方程的积分形式在稳态时的简化形式。式子就是空穴连续性方程的积分形式在稳态时的简化形式。 当电压由当电压由E1 突然变为突然变为(- -E2 )时，正是这个存贮在时，正是这个存贮在N 区中的非区中的非平衡少子电荷平衡少子电荷Q0 为反向电流提供了电荷来源。为反向电流提供了电荷来源。 1exp1exp000kTqVpLDAqdxxpdAqD

5、IkTqVqpALdxxpAqQnoppxnpfnopn由此可得正向稳态时由此可得正向稳态时 Q0 与与 If 之间有关系：之间有关系：pffpfppQIIIDLQ020,或 在在t r 期间，设期间，设PN 结上的电压为结上的电压为V(t)，则，则 , N区区中非平衡少子的变化情形如下图所示：中非平衡少子的变化情形如下图所示： LrRtVEI2 曲线曲线 1 表示在表示在E 由由 E1 变为变为(- -E2 )的一瞬间，此时：的一瞬间，此时：LLFrFnonRERVEIVVkTqVpp22,exp)0(rILR02E)(tV 曲线曲线 14 为存贮过程，即为存贮过程，即 t s 期间：期间：

6、这期间这期间 Ir 变化不大。变化不大。,0,exp)0(22LLFrFnononRERVEIVVpkTqVpp E1 -E2 ILRE1LRE2 0 ts 曲线曲线 46 为下降过程，即为下降过程，即 t f 期间：期间：022,0,0 )0(IREIEVppLrnon接近于 -E2 ILRE1LRE2 0 t f4、t r 的计算的计算 计算时仍计算时仍 以以 结为例。在绪论的例结为例。在绪论的例 6 中，我们已经得到中，我们已经得到空穴连续性方程的积分形式，空穴连续性方程的积分形式， 也称为空穴的电荷控制方程，即：也称为空穴的电荷控制方程，即：为与本节的符号相一致，现将为与本节的符号相一

7、致，现将 Ip 写作写作 Ir ， 将将Qp 写作写作 Q ， 即可得：即可得：NPppppQdtdQIdtdQdtQddtQQddtdQpppop)(prQdtdQI 或：或：prQIdtdQ 上式是一个关于上式是一个关于N 区中非平衡少子电荷的微分方程。区中非平衡少子电荷的微分方程。 从式从式中可以明显地看出，中可以明显地看出，存贮电荷的消失有两个途径，即存贮电荷的消失有两个途径，即 Ir 的抽取的抽取与复合。与复合。 当当 时，时， 所以令上式为所以令上式为 0，可解出，可解出 ：rt 上式中，上式中， 均取决于外电路。均取决于外电路。fpIQQ0(0)0(,)exp()()(rrppr

8、fpttItIItQrtt , 0)(rtQrrfprIIItln,21LrLfREIREI 为使求解方便，假设在整个为使求解方便，假设在整个 t r 期间，期间， Ir 保持保持 (E2/RL )不变，不变， 则此微分方程的解为则此微分方程的解为: 初始条件为，当初始条件为，当 t = 0 时：时： (2) 从器件本身，应降低少子寿命从器件本身，应降低少子寿命 p ，这一方面可减少正向，这一方面可减少正向时的存贮电荷时的存贮电荷Q0 = p If ，同时可加快反向时电荷的复合。，同时可加快反向时电荷的复合。 通常通常可采用掺金、掺铂、中子辐照或电子辐照等方法来引入复合中可采用掺金、掺铂、中子辐照或电子辐照等方法来引入复合中心，从而使心，从而使 p 减少。减少。5、减小、减小 t r 的方法的方法 (1) 从电路上，应采用尽量小的从电路上，应采用尽量小的 If ( 使存贮电荷使存贮电荷Q0 = p If 小小) 和尽量