半导体物理基础PN结实用教案

1、 PN结制作工艺结制作工艺(gngy)过程过程采用硅平面工艺制备PN结的主要(zhyo)工艺过程 N Si N+ (a)抛光(pogung)处理后的N型硅晶片 N+ (b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作 光刻胶 N Si SiO2 N+ (c)光刻胶层匀胶及坚膜 （d)图形掩膜、曝光 光刻胶 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ (e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片 n Si光刻胶SiO2N+N Si SiO2 N+第1页/共113页第一页，共114页。PN结制作(zhzu)工艺过程 N Si SiO2 N+P Si N Si SiO2金属 N+N Si

2、P Si SiO2金属 金 属 N+(g)完成(wn chng)光刻后去胶的晶片 (h)通过扩散(kusn)（或离子注入）形成 P-N结(i)蒸发/溅射金属 （j） P-N 结制作完成 采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程 P SiN SiSiO2N+第2页/共113页第二页，共114页。PN结制作(zhzu)工艺过程 PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身(bnshn)也是一种器件整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。第3页/共113页第三页，共114页。PN结制作(zhzu)工艺

3、过程 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。 任何(rnh)两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）.第4页/共113页第四页，共114页。PN结制作(zhzu)工艺过程 由同种(tn zhn)物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种(tn zhn)物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。 由同种(tn zhn)导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗），由不同种(tn zhn)导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N锗）。第5页/共113页第五页，共1

4、14页。PN结制作(zhzu)工艺过程 因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。 广义地说，金属和半导体接触(jich)也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触(jich)或金属半导体结（M-S结）。第6页/共113页第六页，共114页。PN结制作工艺(gngy)过程 氧化工艺(gngy)：1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺(gngy)技术的出现。在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：（1）对杂质扩散的掩蔽作用；（2）作为MOS器件的绝缘栅材料；（3）器件表面钝化作用；第7页/共113页

5、第七页，共114页。PN结制作(zhzu)工艺过程 （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质；（5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学(huxu)气相沉积方法。第8页/共113页第八页，共114页。PN结制作工艺(gngy)过程 扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成(xngchng)一定的杂质分布。第9页/共113页

6、第九页，共114页。PN结制作工艺(gngy)过程 外延工艺：外延是一种薄膜生长(shngzhng)工艺，外延生长(shngzhng)是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长(shngzhng)一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长(shngzhng)另一种单晶材料薄膜。 外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。第10页/共113页第十页，共114页。PN结制作工艺(gngy)过程 光刻工艺(gngy)：光刻工艺(gngy)是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺(gngy)而使用的一种工艺(gngy)技术。 光刻工艺(gngy)的基本原

7、理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物涂敷在半导体晶片表面上。经光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 正性胶和负性胶第11页/共113页第十一页，共114页。2.1 热平衡PN结一、PN结的形成PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。 PN结含有丰富(fngf)的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。P型半导体和N型半导体接触后，当在浓度梯度作用下的扩散运动和在内建电场作用下的漂移运动达到动态平衡后，就形成了 PN结。第12页/共113页第十二页，共114页。2.1 热平衡PN结-+-+空间电荷区NP内建电场(din chng)DVqNAVqN第13页/共113页

8、第十三页，共114页。2.1 热平衡PN结 当P型硅和N型硅放在一起并达到热平衡后，费米能级应该在整个系统中保持恒定；费米能级以下的能态更趋向于被电子填满(tin mn)，费米能级以上的能态更趋向于空着。 最终达到平衡后，形成P高N低的能带图结构。第14页/共113页第十四页，共114页。2.1 热平衡PN结 FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0q 漂移 漂移 扩散 扩散 E n p 在接触(jich)前分开的P型和N型硅的能带图 接触(jich)后的能带图第15页/共113页第十五页，共114页。2.1 热平衡PN结 突变结：N型区到P型区是陡变的

9、缓变结：具有逐渐改变(gibin)的杂质分布NaNd0 x Na-Nd xj NaNd0 x xj-ax第16页/共113页第十六页，共114页。2.1 热平衡PN结n 型电中性区 p 型电中性区 边界层 边界层 耗尽区 第17页/共113页第十七页，共114页。2.1 热平衡PN结 泊松方程：电荷密度、电场(din chng)、电势的关系：adNnNpkqdxd022dxdEadNnNpkqdxdE0第18页/共113页第十八页，共114页。2.1 热平衡PN结 （1）对于电中性区 利用中性区电中性条件(tiojin)导出了两个中性区间的电势差公式。称为内建电势或扩散电势。只存在于热平衡PN

10、结。20lniadTpnnNNV第19页/共113页第十九页，共114页。2.1 热平衡PN结 形成PN结之前，N区的费米(fi m)能及比P区要高。形成PN结之后，费米(fi m)能级要求恒定，即N区费米(fi m)能级要下降 由1-12-1和1-12-2得：02lnqnNNqVEEiadTFpFnFpFnEE第20页/共113页第二十页，共114页。2.1 热平衡PN结 这也是热平衡时电子从N区进入P区，或空穴从P区进入N区需要跨越的势垒高度。因此，也把空间电荷区称为势垒区。 （2）边界层 边界层的宽度约为非本征德拜（Debye）长度的3倍。 边界层小于耗尽层的宽度，所以(suy)可以忽略

11、。 PN结可以只简单的划分为中性区和耗尽区。第21页/共113页第二十一页，共114页。2.1 热平衡PN结（3）耗尽区耗尽区：在空间电荷区中，各自的多数载流子浓度(nngd)受到抑制或者耗尽。自由载流子浓度(nngd)可以忽略，称为耗尽近似。N侧和P侧的泊松方程可以分别简化为2-1-11和2-1-12。掺杂浓度(nngd)与结宽度的关系：2-1-13第22页/共113页第二十二页，共114页。2.1 热平衡PN结 边界条件： 处， 由电场强度的概念，电力线最密集的地方(dfng)电场强度最大。因此在公式2-1-15中取x=0，得到最大电场 电场和电势分布：2-1-16和2-1-180KxqN

12、EndMnxx 00dxd第23页/共113页第二十三页，共114页。2.1 热平衡PN结 单边突变结：结一边的杂质浓度远高于另外一边。 推导出内建电势为2-1-19 假设：以PN结最右侧为电势0点。 势垒区：电子和空穴要越过空间电荷区需要(xyo)克服势垒做功，因此空间电荷区也称为势垒区。2002dnqN xk第24页/共113页第二十四页，共114页。2.1 热平衡PN结 单边突变(tbin)结的耗尽层宽度为（耗尽近似）21002dnqNkxW第25页/共113页第二十五页，共114页。2.1 热平衡PN结 由于电势和电场的积分关系，存在(cnzi)以下的面积关系：00021XEM第26页

13、/共113页第二十六页，共114页。2.1 热平衡PN结 对称突变结、非对称突变结和单边突变结的耗尽层厚度(hud)与接触电势的关系为：qNw002)11(200daNNqw2002qNw第27页/共113页第二十七页，共114页。2.2 加偏压(pin y)的PN结 结的单向导电性 当外加电压连接到PN结两端时，热平衡被破坏(phui)，会有电流流过。 空间电荷区的电阻远远高于中性区，因此认为外加电压直接加在空间电荷区。第28页/共113页第二十八页，共114页。2.2 加偏压(pin y)的PN结b + V Vq0 FpE FnE qV W （E） FnE N P W FE CE （a）

14、能量 （E） N P 能量 （ ）q0（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W （b）加正向电压(diny)，耗尽 层宽度WW第29页/共113页第二十九页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结P + RV RI 能量 （E） RVq0 RqV W （c ） N （c）加反向(fn xin)电压，耗尽层宽度WW 第30页/共113页第三十页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 正向(zhn xin)偏压：势垒削弱，扩散被加强，电流大。 反向偏压：势垒加强，扩散被抑制，电流小。 当偏离平衡态之后，费米能级出现分裂。 费米能及与载流子浓度相关联。而电流与费米势的梯度有关（1-12

15、-5和1-12-6）。第31页/共113页第三十一页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 在电中性区，多数载流子浓度仍然保持相应的平衡数值，因此在这些区域中的准费米能级(nngj)并没有偏离平衡费米能级(nngj)。 在空间电荷区，载流子浓度不发生变化，因此准费米能级(nngj)不变。 准费米能级(nngj)的分裂表明：在紧靠耗尽区的电中性区内，出现了过量载流子。第32页/共113页第三十二页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 在反向偏压下，耗尽(ho jn)近似仍然成立。 单边突变结的耗尽(ho jn)层宽度为 耗尽(ho jn)层的宽度随反向偏压的增加而增加。

16、2100)(2dRnqNVkxW第33页/共113页第三十三页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 在正向偏压下，如果(rgu)电流不大，耗尽近似仍然成立。 但当电流增大时，空间电荷区的载流子浓度会与杂质离子浓度可比拟，耗尽近似不再成立。 一般来说，在正向偏压下，耗尽近似不成立。第34页/共113页第三十四页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 少数载流子的注入与运输 正向偏置条件下，电子(dinz)从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。 1、扩散近似 nn0：热平衡时n区的电子(dinz)浓度多子 np0：热平衡时p区的电子(dinz)浓度少子pn0：热平衡时n

17、区的空穴浓度少子pp0：热平衡时p区的空穴浓度多子第35页/共113页第三十五页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 考虑紧靠(jn ko)结边缘的N侧中性区载流子的行为。 由于从P区注入了过量空穴，因此该区域将建立一个电场。 该电场将使得电子有类似的分布，以中和过量的空穴。（图2-6） 因此在载流子注入的区域中不存在电场。第36页/共113页第三十六页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 多子处于被动地位，仅限于中和少子所引起的电场，可以忽略，主要是看少子的影响。 假设该区域的电中性条件完全得到满足，于是(ysh)少数载流子将通过扩散运动在电中性区中输运，这种近似

18、称为扩散近似。第37页/共113页第三十七页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 N区的空穴(kn xu)电流及连续性方程2-2-3和2-2-4 P区的电子电流及连续性方程2-2-5和2-2-6 选择适当的边界条件，就可以求得注入的少子分布和少子电流。第38页/共113页第三十八页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 2.空间电荷区边界的少数载流子浓度 热平衡时：根据自建电势表达式2-1-7和完全(wnqun)电离原理，以及质量作用定律，可以得到2-2-8和2-2-9：结的空间电荷层两边的电子浓度以及空穴浓度是和势垒高度相联系的。第39页/共113页第三十九页，共1

19、14页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 加上正向偏压时：2-2-8被修改为2-2-10。 在小注入条件下，得到边界条件2-2-11和2-2-12。 2-2-11和2-2-12是少子(sho z)连续性方程在PN结空间电荷区边界的边界条件。第40页/共113页第四十页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 边界条件：加偏压后的边界少子浓度由热平衡少子浓度和外加(wiji)电压决定。 结边缘少子浓度与热平衡少子浓度成正比，即与杂质浓度成反比。 单边突变结：单边注入第41页/共113页第四十一页，共114页。2-2 加偏压(pin y)的PN结 正向注入：当PN结加正向偏压(pin

20、 y)时，少子浓度会大于热平衡时少子浓度。 反向抽取：当PN结加反向偏压(pin y)时，少子浓度会小于热平衡时少子浓度。第42页/共113页第四十二页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 理想的P-N结的基本假设及其意义： 外加电压全部(qunb)降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。 均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。 空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。第43页/共113页第四十三页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性小注入，即 和 半导体非简并（费米(fi m)能及位于禁带之

21、中）TVVnnepp00nnTVVppenn00PP第44页/共113页第四十四页，共114页。2-3 理想PN结的直流电流电压(diny)特性 首先(shuxin)对于N型中性区，当达到稳态之后，正向注入的过剩载流子随时间的变化应为0，即公式2-2-5为0，得到2-3-1。 空穴扩散长度 对于N区很长的PN结（长二极管），得到N型中性区的空穴电流2-3-8和2-3-9，x越大，空穴电流越小。2/1)(PPPDL第45页/共113页第四十五页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 整个区域中的电流要恒定(hngdng)，必然会使得电子电流增加，即，少子电流通过电子空穴

22、对的复合不断的转换为多子电流。 P型中性区的电子电流2-3-14和2-3-15。第46页/共113页第四十六页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0np 空间电荷层 nx px x 0 少数载流子电流 pI nI nx px x x 0 npIII pI pI nI nI nx px （a）少数(shosh)载流子分布（b）少数(shosh)载流子电流（c）电子电流和空穴电流图2-7 正向偏压情况下的的P-N结：第47页/共113页第四十七页，共114页。2-3 理想PN结的直流电流电压(diny)特性 图27的意

23、义： 注入的少子离开PN结边界后不断的与多子复合，将少子电流转化(zhunhu)为多子电流 中性区的少子扩散电流随着距离的增加成指数衰减，分别在Ln和Lp距离上衰减为1/e。 少子电子的扩散区：空间电荷区N侧边缘LP左右的范围 少子空穴的扩散区：空间电荷区N侧边缘Ln左右的范围第48页/共113页第四十八页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 总电流为空穴(kn xu)电流电子电流 肖克利（Shockley）方程 I0为二极管饱和电流10TVVeII第49页/共113页第四十九页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 二极管饱和电流的几种(

24、j zhn)表达式：npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpppnLnLpqAI000第50页/共113页第五十页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 图2-8 反向(fn xin)偏压情况下的的P-N结x x 0 载流子浓度 P型 N型 np pn 0np 0pn 空间电荷层 nx px x x 少数载流子电流 pI nI 0 nx px x x npIII pI pI nI nI 0 nx px （a）少数(shosh)载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴

25、电流第51页/共113页第五十一页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 对于反向偏置PN结：反向电流是由PN结边界产生的，而被反向抽取到空间电荷区的少子而形成的。而这种少子的浓度很小，因此反向电流很小。 对于正向(zhn xin)偏置PN结；正向(zhn xin)电流是由对应侧的中性区多子注入后，在扩散过程中不断转化为多子电流而形成的。第52页/共113页第五十二页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 加反向偏压(pin y)时，边界附近少子浓度几乎为0。 反向电流很小，且成饱和性质，也常称I0为反向饱和电流。 PN结单向导电性：图2-9

26、第53页/共113页第五十三页，共114页。2-3 理想(lxing)PN结的直流电流电压特性 对23节的要求： 能够画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图（图2-7、8）。 用语言描述(mio sh)正、反向偏置下电流形成。 记住公式2-3-16及其近似2-3-22 空穴和电子的扩散长度表达式及意义（两个意义：扩散区域；少子扩散电流衰减为1/e）。第54页/共113页第五十四页，共114页。2-4 空间电荷区的复合电流(dinli)和产生电流(dinli) 正偏复合电流：正向偏置时， 空间电荷区载流子浓度(nngd)超过平衡值，空间电荷区中会有非平衡载流子的复合。 反偏产生电

27、流：反向偏置时， 将会有非平衡载流子的产生 非平衡载流子的复合和产生会引起复合电流和产生电流。2inpn 2inpn 第55页/共113页第五十五页，共114页。2-4 空间电荷区的复合电流(dinli)和产生电流(dinli) 考虑空间电荷区正偏复合电流和 串联电阻的影响的实际IV曲线（图2-10） ： 低偏压(pin y)：空间电荷区的复合电流占优势 偏压(pin y)升高： 扩散电流占优势 更高偏压(pin y)： 串联电阻的影响出现了第56页/共113页第五十六页，共114页。2-4 空间电荷区的复合电流(dinli)和产生电流(dinli)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.

28、6 0.7 1010 109 108 107 106 105 104 103 实验数据 串联电阻 斜率KTq 斜率KTq2 I （A） V （V） 第57页/共113页第五十七页，共114页。2-4 空间电荷区的复合(fh)电流和产生电流 若 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大 在低电流水平时，复合电流成分占优势。 高电流水平下，串联电阻造成的较大(jio d)欧姆电压降支配着电流电压特性。diNn第58页/共113页第五十八页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 一、隧道电流 隧道电流概念(ginin)：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透(代替越过)势垒而产生电

29、流，这种电流叫做隧道电流。第59页/共113页第五十九页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流产生隧道电流的条件(tiojin)：（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。第60页/共113页第六十页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 图（a）：没有加偏压，费米能级进入导带和价带。费米能级以下的状态被电子占据，费米能级以上的状态为空。 图（b）：加上正向偏压，出现电子和空穴的准费米能级。 能带弯曲程度(chngd)变小，N区有一些电子的能量与P区的空状态相对应。电

30、子可能隧道穿透结势垒产生电流。第61页/共113页第六十一页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流第62页/共113页第六十二页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 图（c）：最大隧道电流的状态。P区有足够的空闲状态能够接收电子的隧道击穿。 图（d）：偏压进一步增加， P区相应的空闲状态变少，电流变小(bin xio)。直至为0。 图（e）：加反向偏压。反向隧道电流随着反向偏压的增加而增加。第63页/共113页第六十三页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流第64页/共113页第六十四页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流第65页/共113页第六十五页，共114页。2-5

31、隧道(sudo)电流 正向偏压时隧道电流随着(su zhe)电压升高的变化：出现增大最大减小最小为0。第66页/共113页第六十六页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 二、隧道二极管 I/V曲线受扩散电流和隧道电流影响。 当某一个极上加正电压(diny)时，通过管的电流先将随电压(diny)的增加而很快变大，但在电压(diny)达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大； 如果加反向偏压，电流则随电压(diny)的增加而急剧变大。因为这种变化可以用量子力学中的“隧道效应”加以说明，故称隧道二极管。 第67页/共113页第六十七页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流I V ）（

32、e ）（a ）（b ）（c ）（d （a）江崎二极管 电流(dinli)-电压特性第68页/共113页第六十八页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 隧道二极管的主要特点 1、隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于(yuy)单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪音。 2、隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于(yuy)温度对多子涨落的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。第69页/共113页第六十九页，共114页。2-5 隧道(sudo)电流 3、由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间(shjin)的限制，因此可以在极

33、高频率下工作。 了解产生隧道电流的条件。 画出能带图解释隧道二极管的IV特性。 了解隧道二极管的特点和局限性。第70页/共113页第七十页，共114页。2-6 I-V特性的温度依赖(yli)关系 根据公式（2-6-3）反向电流随温度升高而增加。 PN结中的电流包括扩散电流、空间电荷区产生与复合电流和隧道电流。 无论是正向偏压(pin y)还是反向偏压(pin y)，随着温度的增加，都是以扩散电流为主。 给定电压，电流随温度升高而迅速增加。对于硅二极管，在室温（300K）时，每增加 ，电流约增加1倍。C010第71页/共113页第七十一页，共114页。2-6 I-V特性(txng)的温度依赖关系

34、电压随温度线性地减小，对于硅二极管，系数约为 。 结电压随温度变化十分灵敏，这一特性被用来(yn li)精确测温和控温。 CmV0/2第72页/共113页第七十二页，共114页。2-6 I-V特性的温度(wnd)依赖关系I， A 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-5 20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V 150 C 25C 55C T C VV 第73页/共113页第七十三页，共114页。2-7 耗尽层电容(dinrng) 耗尽层宽度是偏置(pin zh)电压的函数。 随着偏置(pin zh)电压

35、的增、减，空间电荷区的电荷也不断的变化。 耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容，称为PN结的耗尽层电容，也称为势垒电容和过渡电容。第74页/共113页第七十四页，共114页。2-7 耗尽层电容(dinrng) 2.7.1 C-V关系 对于单边突变结，根据耗尽层宽度公式(gngsh)2-2-1，空间电荷区所存储的电荷为dRdNVqKAWqANQ002第75页/共113页第七十五页，共114页。2-7 耗尽层电容(dinrng) 由电容定义(dngy) 得到 C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容： PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。 RdVdQC 21002RdVNqk

36、AC第76页/共113页第七十六页，共114页。2-7 耗尽层电容(dinrng) 常用 关系： 1、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。 2、使直线外推至电压(diny)轴可求出自建电压(diny)。在截距处 21 CRV020221RdVANqKC第77页/共113页第七十七页，共114页。2-7 耗尽层电容(dinrng) 由 可见(kjin)反向偏置的P-N结可以作为电容使用在LC调谐电路中。专门为此目的制造的二极管称为变容二极管。21002RdVNqkAC第78页/共113页第七十八页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 器件处理连续波时所表现(bioxin)出来的性能叫

37、做器件的频率特性。 器件处理数字信号和脉冲信号时，在两个稳定状态之间跃变，跃变过程中表现(bioxin)出来的特性叫做开关特性，也叫做瞬变特性第79页/共113页第七十九页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 大信号：电流及电压变化(binhu)较大，如开关工作时。 小信号：如连续波 在小信号工作时，信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化(binhu)跟得上信号的变化(binhu)。第80页/共113页第八十页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 小信号工作(gngzu)时，外加电压为直流电压加上一个小信号电压 小信号条件： tjaevV

38、avTV第81页/共113页第八十一页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 在PN结边缘xn处，注入少子空穴(kn xu)的小信号分布为 其中有tjannnnepxptxp1,TVVnnnepxp0TVVTanaeVvpp01第82页/共113页第八十二页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 在N型中性区，可以(ky)将空穴分布写成 由连续性方程为0可得： 其中 tjannepxptxp，2220aapd ppdxLpppjLL1第83页/共113页第八十三页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 边界条件为nnaaWxxxpp01第84页/共113页第八十四页，共114

39、页。2-8 PN结二极管的频率特性 x=xn处空穴电流(dinli)的交流量为 X=-xp处电子电流(dinli)的交流量为nxapnpdxdpqADxiTVVpTanpeLVvpqAD0TVVnTapnpneLVvnqDxi0第85页/共113页第八十五页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性总的交流电流(dinli)为：二极管的交流导纳定义为交流电流(dinli)与交流电压之比： aviY nppnxixiiTVVnpnpnpTaeLnDLpDVqv00DDCjg第86页/共113页第八十六页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 是二极管直流电导也叫做扩散电是二极管直流电导也

40、叫做扩散电导，其倒数叫做导，其倒数叫做PN结扩散电阻。结扩散电阻。 称为称为P-N结扩散电容。是正偏结扩散电容。是正偏压下压下PN结存贮电荷随偏压变化引起的电容，结存贮电荷随偏压变化引起的电容，随直流偏压的增加而增加，所以低频正向随直流偏压的增加而增加，所以低频正向(zhn xin)偏压下，扩散电容特别重要。偏压下，扩散电容特别重要。TDVIgTpDVIC2第87页/共113页第八十七页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 在许多应用中，总是根据在使用条件(tiojin)下半导体器件各部分的物理作用，用电阻，电容，电流源和电压源等组成一定的电路来达到等效器件的功能。这种电路叫做等效电路

41、。第88页/共113页第八十八页，共114页。2-8 PN结二极管的频率特性 28节重点掌握(zhngw)： 等效电路，直流电导，交流导纳，扩散电容。第89页/共113页第八十九页，共114页。PN结的电容(dinrng)效应 PN结两端的外加电压发生变化时，PN 结中的电荷量也将随之变化，它说明PN结具有一定的电容效应。通常把PN结的电容效应分成两部分讨论，即势垒电容和扩散电容。 势垒电容是由于(yuy) PN 结中存在空间电荷而形成的，又称为结电容，一般用 CB表示。第90页/共113页第九十页，共114页。PN结的电容(dinrng)效应 扩散电容是由于多数载流子在扩散过程扩散电容是由于

42、多数载流子在扩散过程中电荷的积累而形成的，一般用中电荷的积累而形成的，一般用CD表示。表示。 当加正向电压时，多数载流子都要向对当加正向电压时，多数载流子都要向对方区扩散。多子克服内电场方区扩散。多子克服内电场(din chng)的阻力扩散到对方区域后，并不是立即的阻力扩散到对方区域后，并不是立即与该区的多子复合而消失，而是在一定与该区的多子复合而消失，而是在一定的范围内继续扩散，逐渐复合。所以会的范围内继续扩散，逐渐复合。所以会在一定范围内存储电荷，并按浓度梯度在一定范围内存储电荷，并按浓度梯度递减。递减。第91页/共113页第九十一页，共114页。PN结的电容(dinrng)效应 因此扩散

43、电容与非平衡载流子寿命和电压变化频率有关。 器件物理中常用乘积 来划分频率的高低。 为非平衡载流子的寿命，也就是(jish)存储电荷再分布的弛豫时间。第92页/共113页第九十二页，共114页。PN结的电容(dinrng)效应 在低频情况下，信号变化(binhu)周期较长，大于存储电荷的再分布时间，电容较大。由2-105表示。 在高频情况下，存储电荷的变化(binhu)比电压变化(binhu)要慢的多，因此扩散电容很小。且扩散电容随直流偏压增加而增加。 因此扩散电容有下面的特性：在低频正向偏压下，扩散电容特别重要。第93页/共113页第九十三页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬

44、变 PN结二极管的开关作用： PN结二极管处于正向(zhn xin)偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向(zhn xin)偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。第94页/共113页第九十四页，共114页。2.9 电荷存储(cn ch)和反向瞬变 PN结的反向(fn xin)瞬变第95页/共113页第九十五页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬变 当电压由正向变为反向后，PN结的电流(dinli)和电压的延迟现象称为PN结的反向瞬变。 PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并

45、保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。第96页/共113页第九十六页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬变第97页/共113页第九十七页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬变 当外加电压(diny)从正向转为反向后，以N区的少子空穴为例，会在外加电场的作用下向空间电荷区流动，进入空间电荷区后又在内电场的作用下漂移进P区，导致N区的少子浓度减小，但不是立即变为反向偏置的情形。第98页/共113页第九十八页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬变第99页/共113页第九十九页，共114页。2.9 电荷(dinh)存储和反向瞬变第100页/共113页第一百页，共114页。2.10 PN结击穿(j chun) 击穿：当反向电压不断增大到某一个电压VB时，反向电流(dinli)会急剧增大，称为PN结的击穿现象，VB称为击穿电压。 齐纳击穿：发生在低电压下，由隧道效应产生。 雪崩击穿：发生在高电压下。第101页/共113页第一百零一页，共114页。2.10 PN结击穿(j chun) 雪崩击穿原理：反向偏压时，做漂移运动的载流子在经过空间电荷区时，在电场作用(zuyng)下获得很高的能量，且