pn结二极管PPT课件

1、第八章pn结二极管8.1 pn 结二极管的I-V特性8.2 pn 结的小信号模型8.3 产生-复合流（与理想I-V特性的偏离）8.4 pn 结的击穿8.5 pn结的瞬态特性8.6 隧道二极管第1页/共85页8.1 pn 结电流 将二极管电流和器件内部的工作机理，器件参数之间建立定性和定量的关系。 1.定性推导： 分析过程，处理方法2.定量推导： 建立理想模型-写少子扩散方 程，边界条件-求解少子分布函数-求扩散电流-结果分析。3.分析实际与理想公式的偏差，造成偏差的原因第2页/共85页0偏正偏反偏第3页/共85页1.热平衡状态电子从n区扩散到p区需有足够的能量克服“势垒”。只有少数高能量的电子

2、能越过势垒到达P区，形成扩散流。P区的电子到达n区不存在势垒，但是少子，少数电子一旦进入耗尽层，内建电场就将其扫进n区，形成漂移流。热平衡：电子的扩散流=漂移流空穴的情况与电子类似8.1 pn 结电流第4页/共85页2.加正偏电压势垒高度降低， n型一侧有更多的电子越过势垒进入p区，形成净电子扩散电流IN，同理可分析空穴形成扩散电流IP。流过pn结的总电流I=IN+IP。因为势垒高度随外加电压线性下降，而载流子浓度随能级指数变化，所以定性分析可得出正偏时流过pn结的电流随外加电压指数增加。第5页/共85页正偏时的能带/电路混合图第6页/共85页 3.反向偏置： 势垒高度变高，n型一侧几乎没有电

3、子能越过势垒进入p区，p区一侧有相同数目的电子进入耗尽层扫入n区，形成少子漂移流，同理n区的空穴漂移形成IP，因与少子相关，所以电流很小，又因为少子的漂移与势垒高度无关，所以反向电流与外加电压无关。第7页/共85页反偏时的能带/电路混合图第8页/共85页第9页/共85页理想的电流-电压关系理想p-n结，满足以下条件的p-n结（1）杂质分布为非简并掺杂的突变结 p=n0 -xpxxn （耗尽层近似） (x)= -qNA -xpx0 qND 0 xxn（2）小注入条件：p区：npp0 n区：p0,（正半周期） 少子积累增加，va0,少子积累减小。随着外加电压的变化， Q被交替地充电和放电，少子电荷

4、存储量的变化与电压变化量的比值即为扩散电容Cd第53页/共85页第54页/共85页(c)(a)小信号导纳-等效电路第55页/共85页小信号导纳n等效电阻r, 等效电容C，容抗1/j cnr与C并联，n总电阻n导纳：ddCjgRY1ddCjgCjrR11第56页/共85页导纳关系式的数学分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流过二极管的i,Y=i/va. )(2)(000000nnPPdDQnPddDIIkTeCkTeIIIkTegCjgY与In0,Ip0为直流静态时的电子和空穴扩散流第57页/共85页8.4 pn结的击穿 当反向电流超过允许的最大值时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压VBR

5、 形成反偏pn结击穿的物理机制有齐纳击穿和雪崩击穿第58页/共85页齐纳击穿隧穿效应：量子力学中，当势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于10-6cm隧穿过程示意图第59页/共85页反向偏置pn结二极管中齐纳击穿过程的示意图齐纳击穿第60页/共85页 二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺杂一侧的杂质浓度高于1017cm,齐纳过程比较显著，对应的二极管的击穿电压比较小，当VBR4Eg/e,齐纳过程起主导作用。齐纳击穿第61页/共85页雪崩击穿小的反向电压时，载流子穿过耗尽层边加速边碰撞，但传递给晶格的能量少。

6、大的反向电压碰撞使晶格原子“电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。雪崩击穿示意图第62页/共85页假设在x=0处，反偏电子电流In0进入了耗尽区, 由于雪崩效应的存在，电子电流In会随距离增大而增大，如图所示：在x=W处，电子电流In(W)=MnIn0Mn为倍增因子空穴电流也类似第63页/共85页 耗尽层中任一点x处的增量电子电流可表达为：ppnnnppnnnxIxIdxxdIdxxIdxxIxdI)()()()()()(n,p分别为电子与空穴的电离率。即：单位电子（ n）或单位空穴（ p）在单位长度内碰撞产生的电子空穴对（1）（2）第64页/共85页dxMIIIIMdxII

7、IMdxIIWIdxIxdIIxIdxxdIxIIxIxIxIdxxdIxIIxIxIxIIWnnnnnWnnnWnnWnpnpnnpnpnnnppnnnnppn000000011)0(,)0()0()()()()()()()()()()(),()()()(，则令则总电流：第65页/共85页 使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩电压，即：10Wdx电离率是电场的函数BcritSBeNEV22击穿电压第66页/共85页第67页/共85页P+n和n+p突变结，击穿电压随轻掺杂一侧杂质浓度的变化关系图75. 01BBRNV雪崩倍增是主要击穿过程第68页/共85页单边突变结和线性缓变结的击穿电压随掺杂

8、浓度的变化曲线第69页/共85页 隧穿效应：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。 隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于10-6cm8.6 隧道二极管第70页/共85页 n区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管 n型材料的费米能级进入导带，p型材料的费米能级进入价带热平衡时的能带图隧道二极管势垒的三角形势近似第71页/共85页隧道二极管电流电压特性的定性讨论(a)零偏， 电流，电压均为零(b)加很小正偏压，n区导带中的电子与P区价带中的空态直接对应，发生遂穿，形成电流(c)n区内的导带与p区内的价带中，能量相同的量子态达到最多，遂

9、穿电流达到最大值(d)偏压继续增大，n区与p区中能量相同的量子态在减少，遂穿电流下降(e) n区与p区中能量相同的量子态数为零，遂穿电流为零，但扩散电流仍然存在。电流随电压增大而减小的区域，称为负微分电阻区第72页/共85页加反偏电压的隧道二极管的能带图如图所示，p区价带中的电子与n区导带中的空量子态直接对应，因此电子从p区遂穿到n区，形成较大反偏电流，任何反偏电压都会形成反偏电流，随反偏电压的增大，反偏电流单调增大。第73页/共85页8.5 电荷存储与二极管瞬态 正向时有电流IF流过p-n结；然后开关S接到右边，加一反向偏压，此时通过p-n结的电流并不是立即变为反向饱和电流I0,而是先经过一

10、个较大的恒定反向电流IR阶段，然后再逐渐衰减到I0.第74页/共85页关瞬态 p-n结的反向瞬变过程可分为电流恒定和电流衰减两个阶段，相应的瞬变时间分别以ts和tr表示。ts称为存储时间；tr称为下降时间，trr=ts+tr即为反向恢复时间,(它是反向电流衰减到它的最大值的10%所需的时间）它比偏压从正向突变为反向的瞬变时间长的多。第75页/共85页关瞬态（1）0tts区间pn结保持正偏，（少子积累）即使外加电压达到使它反偏的程度也仍然如此第76页/共85页1.存贮延迟的的定性分析（1）电荷存储和反向恢复时间正偏时，电子从n区注入到p区，空穴从p区注入到 n区，在耗尽层边界有少子的积累。导致p

11、-n结内有等量的过剩电子和空穴电荷的存储。突然反向时，这些存储电荷不能立即去除，积累电荷消除有两种途径：复合和漂移。都需要经过一定时间ts, p-n结才能达到反偏状态，这个时间为反向恢复时间第77页/共85页（2）在0 t ts时间内二极管是如何保持正偏的？在0 t ts时间段p+n二极管中存贮空穴电荷随时间的衰减第78页/共85页2.存贮延迟时间的定量分析n为简单起见，以p+n结为例。n在p+n结中，存贮在n型一侧的空穴为QP, 存贮在p型一侧的电子可忽略。 QP满足连续性方程：0PPPQidtdQ)(0PPRPQIdtdQ因为当0tts 时， i=-IR，所以有)1ln(0RFpsIIti类似扩散流分离变量积分得第79页/共85页结论：n 存贮时间随着IF的增加而增加，随着IR的增加而减少，并且与 p成正比。n例题 定性分析IF，IR， p等对电荷存储时间和反响恢复时间即对i-t时间曲线的影响。第80页/共85页结论：存贮时间随着IF的增加而增加，随着IR的 增加而减少，并且与 p成正比。 制作开关二极管可通过缩短少子寿命提高开关速度，有目的的引入复合中心， 这个结论可用来测量少子寿命)1ln(RFpsIIt第81页/共85页瞬态开启特性用电流或电压脉冲把二极管从