pn结(白底).ppt

1、1,第一章 p-n结,p-n结是同一块半导体中p型区与n型区交界面及其两侧很薄的过渡区 p-n结是众多半导体器件的核心部分,第一章 pn结, 1.1 p-n结的形成及平衡状态 1.2 p-n结的直流特性 1.3 p-n结空间电荷区和势垒电容 1.4 p-n结的交流小信号特性 1.5 p-n结的击穿,本章讨论p-n结的形成、杂质分布、能带图、空间电荷区的电场及电位分布，以及在外加电压作用下p-n结空间电荷区的变化及载流子的分布、运动及复合的规律，从而解释p-n结的整流特性、电容效应及击穿现象。, 1.1 pn结的形成及平衡状态 1、p-n结的形成与杂质分布 2、p-n结空间电荷区 3、p-n结的

2、能带图 4、平衡p-n结势垒区电场 5、平衡p-n结势垒高度 6、平衡p-n结的载流子浓度分布,第一章 pn结,4,半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,5,(c)平面型二极管的结构示意图,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,6,实际的p-n结结构,p-n结的形成过程,在一块本征半导体的两

3、侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上发生如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成自建电场, 促使少子漂移, 阻止多子扩散,1、p-n结的形成与杂质分布,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。P型半导体和N型半导体结合面以及离子薄层形成的空间电荷区称为p-n结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,图 PN结的形成过程,9,制作p-n结的方法主要有合金法、扩散法、离子注入法及外延法。 由于获得p-n结的手段不同，其内部杂质分布也各不相同。 用合金法制得的p-n结，在p型区和n型区内部的

4、杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变，故合金结又可称为突变结。若其中一侧的杂质浓度比另一侧杂质浓度高两个数量级以上，又称之为单边突变结。 用扩散法制得的p-n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，在结附近杂质浓度是渐变的，故称其为缓变结。若结附近杂质浓度作线性变化，其杂质浓度梯度是常数，称作线性缓变结。 在冶金结处，净杂质浓度为零。,10,11,P,N,空间电荷区Xm,自建电场E,Xp,Xn,因为缺少载流子，空间电荷区为高阻区。,2、p-n结空间电荷区,3. 平衡p-n结的能带：(没有外加偏压),能带结构,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,自

5、建场和自建势,1）p区导带底比n区高qVD，P区价带顶比N区高qVD 2）禁带宽度Eg保持处处相等 3）势垒区内能带弯曲 4）有统一的费米能级,13,4. 平衡p-n结势垒区的电场,式中利用爱因斯坦关系式,14,5. 平衡p-n结的势垒高度,假设杂质全部电离,突变结,线性缓变结,可见： 1、两侧掺杂浓度越大，或a越大，则VD越大； 2、ni越小(Eg越大)则VD越大； 3、VD与T有关，T升高，VD降低，因为niT关系起作用； 4、p-n结两侧载流子浓度关系：,15,6、平衡p-n结的载流子浓度分布,平衡p-n结中费米能级处处相等，但本征费米能级是x的函数 在空间电荷区中x处：,16,17,一

6、、正向p-n结 1 正向p-n结的势垒和正向注入效应 2 准费米能级的变化规律 3 正向p-n结势垒边界处少子浓度 4 正向p-n结电流-电压公式 非平衡少子浓度分布公式 电流成分的转换 正向电流公式 正向阈值电压 关于正向电流公式的讨论 理论与实验结果的偏离 势垒复合电流 大注入效应 p-n结直流特性的理论分析,1.2 p-n结的直流特性,18,二、反向p-n结 1 反向p-n结的能带与势垒 2 p-n结的反向抽取作用与准费米能级 3 反向p-n结边界少子浓度及两侧少子浓度分布 4 p-n结的反向扩散电流 5 势垒产生电流 6 表面漏电流 三、温度对p-n结电流、电压的影响 1 对反向饱和电

7、流的影响 2 对势垒产生电流的影响 3 对正向电流的影响 4 对p-n结电压的影响,1.2 p-n结的直流特性,19,p-n结的单向导电性,如果外加电压使p-n结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,p-n结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， p-n结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。,一、正向p-n结,正向偏置的p-n结,正向偏置时，扩散大于漂移,正向电流,正向偏置时的能带图,21,p-n结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在p-n结区，方向与p-n结内电场方向相反，削弱了内

8、电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，p-n结呈现低阻性。,p-n结加正向电压时的 导电情况,22,1 正向p-n结的势垒和正向注入效应,正向偏置下，外加电场的方向与自建电场方向相反，二者叠加使： 势垒区中电场减弱 势垒区所包含空间电荷数减少，势垒区宽度减小 势垒高度降低，p区与n区之间电势能差值减小 电场的减弱破坏了原有的扩散与漂移的平衡，使扩散占优势，形成正向注入效应,23,2 准费米能级的变化规律,热平衡状态=统一的费米能级 正向p-n结：电子和空穴有各自的准费米能级 在势垒区保持水平（因势垒区很窄而近似） 在扩散区连续变

9、化到中性区的统一费米能级,24,3 正向p-n结势垒边界处少子浓度,利用准费米能级和平衡p-n结的载流子浓度公式的形式,正向p-n结 小注入假设,25,qVD决定了势垒区两侧同型载流子边界平衡浓度之比 外加qV决定了在此基础上的比值变化 q(VD-V)正向时的势垒高度，决定了两侧浓度之比，即势垒高度限制了“能够越过势垒”的载流子的数量,26,4 正向p-n结电流-电压公式,非平衡少子浓度分布公式 电流成分的转换 正向电流公式 正向阈值电压 关于正向电流公式的讨论 理论与实验结果的偏离 势垒复合电流 大注入效应 p-n结直流特性的理论分析,27,4 正向p-n结电流-电压公式,假设： (1)p区

10、和n区的电阻率很低，外加电压完全降落在空间电荷区，空间电荷区以外没有电场； (2)p区和n区的宽度均大于少子的扩散长度，因而注入的非平衡少子在到达p区或n区外边界前均已被复合完了，载流子浓度恢复到平衡值； (3)势垒区很薄，忽略载流子在势垒区内的复合，因而通过势垒区时电流密度不变； (4)小注入，即注入的非平衡少子浓度远远小于平衡多子浓度； (5)不计表面的影响。,28,正向p-n结载流子浓度分布,29,正向p-n结电流成分转换,电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程,30,正向p-n结中电流成分的转换即少子扩散电流转换为多子复合电流的过程 通过p-n结的总电流是恒定的，但各处的电流成分不同

11、势垒区：两种电流成分，均保持不变（近似），注入的电子电流和空穴电流 扩散区：两种电流成分，相互转换，少子扩散电流转换为多子复合电流 中性区：一种电流成分，多子电流，包括注入电流和复合电流,31,正向p-n结电流密度,J=J(xn)=Jn(xn)+Jp(xn) 忽略势垒复合,有 Jn(xn) Jn(xp) J=Jn(xp)+Jp(xn),理想p-n结电流电压方程 肖克莱方程,32,正向阈值电压,p-n结正向电流随外加电压呈指数关系上升。 对于不同材料、不同掺杂浓度的p-n结，I0值可能会相差很大。定义:当p-n结(单位面积)的正向电流达到0.1mA时所对应的外加正向电压为该p-n结的正向阈值电压

12、，或称门坎电压，记为Vf.,33,关于正向电流公式的讨论,理论与实验结果的偏离,由于小电流（小注入）下忽略了势垒复合（假设3） 大电流下，小注入的假设（假设4）不再成立,34,35,势垒复合电流,根据载流子浓度的变化规律，将p-n结分为三种区域分别考虑 第一种，扩散区外，无非平衡载流子，处于热平衡条件下的浓度,36,势垒复合电流,第二种，两侧少子扩散区，有非平衡载流子，用准费米能级计算载流子浓度,37,势垒复合电流,第三，势垒区中，必有一截面AB，,根据复合中心理论，稳态下，电子和空穴通过复合中心复合的净复合率,其中，n，p为电子和空穴的浓度；n1，p1假设费米能级与复合中心能级重合时，导带电

13、子和价带空穴的浓度；tn，tp为n，p区少子寿命。,38,n1，p1假设费米能级与复合中心能级重合时，导带电子和价带空穴的浓度,n，p为电子和空穴的浓度,本征面处（截面AB）,假设：电子与空穴有相同寿命 空间电荷区中处处满足n=p 复合中心均匀分布，且具有相同的，位于本征费米能级Ei处的能量，n1=p1=ni,39,扩散区复合,势垒区复合,40,对一Si p+-n结,41,以扩散电流为主时，成exp(qV/kT)关系 以复合电流为主时，成exp(qV/2kT),另外，常温下，由于ni的差别，硅p-n结中以势垒区复合电流为主，锗p-n结以扩散电流为主 （小电流）,p-n结正向电流：,42,p-n

14、结的大注入效应,p-n结的大注入效应: p-n结上正向电压增大使注入边界少子浓度可与多子浓度相比拟的时候，引起一系列不同于小注入假设下的现象称为p-n结的大注入效应,大注入自建电场 形成 方向 作用,空穴扩散与漂移平衡,大注入自建电场分布,结电流为电子电流,两种载流子有相同浓度梯度,等价于小注入条件下的电流公式,44,电流与电压关系：,特大注入时，两种载流子浓度都很大，均远大于平衡多子浓度，近似相等。 V被V1和V2分压： V1大，注入多，自建电场增大，V2增大，又导致V1下降，最后趋于两者相等。,45,两者区别： 1、 自建电场的分压 2、 扩散和漂移叠加 3、 大注入掩盖了多子,单边突变结

15、特大注入,小注入条件下,46,p-n结直流特性的理论分析,借助于能够完整地描述半导体中任意单元的电子与空穴运动的基本方程连续性方程来分析研究载流子运动规律的一种具有普遍意义的分析方法,47,双曲余切函数图像,48,二、反向p-n结,1 反向p-n结的能带与势垒 2 p-n结的反向抽取作用与准费米能级 3 反向p-n结边界少子浓度及两侧少子浓度分布 4 p-n结的反向扩散电流 5 势垒产生电流 6 表面漏电流,49,p-n结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在p-n结区，方向与p-n结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时 P-n结

16、区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散 电流，p-n结呈现高阻性。,在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况,50,p-n结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；p-n结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：p-n结具有单向导电性。,p-n结加反向电压时的导电情况,51,1 反向p-n结的能带与势垒,52,2 p-n结的反向抽取作用与准费米能级,反向偏置时，漂移大于扩散,反向偏置时

17、的能带图和准费米能级,53,3 反向p-n结边界少子浓度及两侧少子浓度分布,非平衡载流子浓度为负值 载流子浓度低于平衡值 反向强电场的反向抽取作用将边界少子拉向对方,54,4 p-n结的反向扩散电流（反向饱和电流）,反向电流,55,4 p-n结的反向扩散电流,反向电流,正向电流,大于理论值 且不饱和,56,5 势垒产生电流,57,正向时，势垒区和扩散区形成复合电流， 反向时，形成势垒产生电流。 势垒产生电流IG正比于ni，扩散电流ID正比于ni2， ni越小，IG相对ID越大 室温下，硅结以IG为主，锗结以IRD为主 锗结ni较大，故其I-V特性饱和，而硅结不饱和 随温度升高，ni增大，故反向

18、饱和电流（扩散电流）随温度升高而增加更快,5 势垒产生电流,58,6 表面漏电流,表面漏电流是p-n结反向电流中另一重要组成部分，而且往往是造成p-n结反向漏电不合格的主要原因。形成表面漏电流的可能原因如下： (1)扩散区表面和势垒区表面的复合中心产生电子-空穴对，前者使反向扩散电流增加，而后者使势垒产生电流增加。 (2)表面沾污：主要是工艺卫生不良，引起Na+沾污，或者沾污一些水汽分子，相当于在表面并联一个电导，形成漏电通路。 (3)表面沟道漏电：如果SiO2层被Na+严重沾污，或原材料本身是高补偿型的，则在p型Si表面极易形成n型表面反型层(或表面反型沟道)。其结果是使p-n结实际面积增大

19、，空间电荷区产生电流也大大增加。,59,6 表面漏电流,60,三、温度对p-n结电流、电压的影响,1 对反向饱和电流的影响 2 对势垒产生电流的影响 3 对正向电流的影响 4 对p-n结电压的影响,温度影响半导体的禁带宽度和本征载流子浓度，所以也影响p-n结的I-V特性。,61,1 温度对p-n结反向饱和电流的影响,在室温附近，温度每上升1K，第一项约为1%，第二项对于Ge为10%（10K增加1倍），对于Si为16%（6K增加1倍）,62,2 温度对p-n结势垒产生电流的影响,为反向扩散电流的一半，但对Si来说却是反向电流的主要成分,63,3 温度对p-n结正向电流的影响,较反向饱和电流的温度

20、系数小qVA/kT2,64,4 温度对p-n结电压的影响,当固定电流不变时，p-n结电压随温度变化,恒流时，电压随温度变化率近似与温度成反比，随电压升高而增大。,Si:-2mV/K Ge:-1mV/K,65,随温度升高：1 电压不变，正向电流IF增大； 2 反向电流增大（产生电流、反向饱和电流）； 3 电流不变，结电压减小。,66, 1.3 p-n结空间电荷区和势垒电容 一、 p-n结空间电荷区的电场和电位分布 1、关于耗尽层近似 2、突变结空间电荷区的电场和电位分布 3、线性缓变结空间电荷区的电场和电位分布 4、扩散结的空间电荷区 5、关于“耗尽层近似”说明 二、p-n结势垒电容 1、p-n

21、结势垒电容的来源 2、突变结势垒电容 3、线性缓变结势垒电容 4、扩散结的势垒电容 5、p-n结势垒电容的应用,67,1、关于耗尽层近似,一、 p-n结空间电荷区的电场和电位分布,以两种典型突变结和线性缓变结为对象讨论,认为在空间电荷区中只存在未被中和的带电离子，而不存在自由载流子。,于是： 1、空间电荷区中的电场和电位只由电离杂质离子电荷所决定 2、空间电荷区内有电场，空间电荷区以外没有电场，在边界处电场减至零。,实际上，由n0=niexp(EF-Ei)/kT可以简单证明，Ei每上升0.1eV，对应电子浓度下降为 1/54.6,68,2、突变结空间电荷区的电场和电位分布,带入泊松方程，积分

22、得到场强分布，再积分 得到电位分布,突变结空间电荷区电场线性分布，两侧斜率取决于NA和ND，在x=0处场强最大，且连续。,正负电荷总量相等，满足电中性条件,两侧厚度与两侧掺杂浓度成反比,取x=0处为电位零点，确定积分常数，得到二次曲线（抛物线）形电位分布曲线,1 突变结空间电荷区宽度随外加电压的1/2次幂变化 2 单边突变结空间电荷区宽度与低掺杂侧（高阻侧） 的杂质浓度的平方根成反比,71,3、线性缓变结空间电荷区的电场和电位分布,场强抛物线分布 最大场强,72,1 线性缓变结空间电荷区宽度随外加电压的1/3次幂变化 2 线性缓变结空间电荷区宽度与结附近杂质浓度梯度的三次 根成反比,73,4、

23、扩散结的空间电荷区,实际扩散结的杂质分布依据结形成时的具体条件不同或为余误差函数分布或为高斯函数分布，情形比较复杂，往往不能简单地用突变结或线性缓变结去处理。 因为空间电荷区的情形直接影响着pn结的势垒电容，所以这一部分内容将结合扩散结的势垒电容一起讨论。,74,5、关于“耗尽层近似”说明,近似局限性特定的适用条件,空间电荷区中的自由载流子,空间电荷区的边界,“耗尽层近似” 对于对称的(即两侧杂质浓度相等或相近的)p-n结， 且在较大的反向偏压作用下，与实际情况较符。但是在正偏、零偏和较小的反向偏压下，空间电荷区自由载流子的存在将影响空间电荷区电场的大小及分布，此近似不再适用。在单边突变结这样

24、极不对称的p-n结中，在低掺杂侧的空间电荷区内存在着自由载流子积累而成的 反型层。,耗尽层近似认为，空间电荷区边界上的电荷是突变的，在边界上电荷密度突然下降为零。实际上空间电荷区边界上的电荷密度是逐渐下降的，存在过渡区。过渡区的存在引起VD的误差，且在正、零及小的反偏下引起势垒电容的很大误差。,75,空穴电荷 电离施主电荷 反型层,76,77,1、p-n结势垒电容的来源,二、p-n结势垒电容,78,1、p-n结势垒电容的来源,二、p-n结势垒电容,势垒电容的电容量随外加电压而变化，是非线性电容，平行板电容器的电容是固定值； 形成势垒电容的势垒区中充满空间电荷，平行板电容器中间没有电荷； 势垒电

25、容的大小取决于载流子补偿空间电荷区电荷的情况，因而与p-n结两侧掺杂情况密切相关,2、突变结势垒电容,80,3、线性缓变结势垒电容,与平行板电容器有相同表达形式 耗尽层近似 修正公式,81,4、扩散结的势垒电容,耗尽层近似 较大反偏,82,已知：N0、Ns、 xj 、 VT=VD-VA a图：初始条件：N0/Ns 参变量 ： xj 自变量、因变量：x1/xm, VT/N0 确定N0/Ns， x1/xm, VT/N0随xj的变化关系 b图：初始条件：N0/Ns 参变量：xj 因变量：xm, CT 自变量：VT/N0 确定N0/Ns， xm、 CT 随VT/N0及 xj的变化关系,83,84,85

26、,已知：N0=1016cm-3, xj=2mm, Ns=1019cm-3, VA=10V Si扩散结 求：CT, xm ，x1 1. N0/Ns=10-3，确定查图1-41 2. VT/N0=10-15Vcm3 3. 在b图中求CT , xm 4. 在a图中求 x1,86,5、p-n结势垒电容的应用,变容二极管,势垒电容的电压灵敏度：作为变容二极管，希望单位电压变化得到更大的电容变化量,设一p+-n结，n侧杂质浓度：,87,测量杂质分布,根据1/CT2VA的线性关系，由直线的斜率和截距可分别求出N0和VD,根据1/CT3VA的线性关系，由直线的斜率和截距可分别求出a和VD,对于轻掺杂一边任意杂

27、质分布的p-n结，根据电压、电场和电荷的增量关系，由1/C2V曲线的斜率可求出N(x)x关系,C-V法,88, 1.4 p-n结的交流小信号特性 一、 p-n结小信号交流电流-电压方程 二、小信号交流导纳 三、扩散电容,通过分析交流小信号方程，了解p-n结交流特性，得到交流导纳，引出扩散电容,89,一、 p-n结小信号交流电流-电压方程,与前述直流方程无异,消去公共因子， 并利用,90,边界条件,在小信号假设下（V1V0) 级数展开，取一级近似,小信号下，p的增量p1(0) 一级近似与V1成正比,解得：,91,通过p-n结的空穴电流的交流分量：,此即p+-n结的小信号交流电流电压方程,可以只计

28、空穴,交流电压幅值,交流电流幅值,V1V0，级数展开近似 实际上仅计算了扩散电流,92,二、小信号交流导纳（微分电阻）,以p+-n结为例，忽略电子电流，p-n结的电流近似为n区势垒边界xn处空穴电流 交流导纳：,在低频假设下展开,p-n结电导，可由正向电流公式代入dI/dV直接求得，不同工作点(V0,IF)，有不同值，是可变电阻（微分电阻）,93,三、扩散电容,94,p-n结可视为一可变电阻与一扩散电容（可变）并联而成，称为本征导纳。 求解连续性方程时级数展开并取一级近似，使扩散区少子分布被近似为线性；低频下级数展开也使分布线性化 扩散电容是正偏下的电容，其大小与p-n结正向电流有关；正偏下势

29、垒电容可忽略，而反偏时只计算势垒电容。,/,95, 1.5 p-n结击穿 一、 击穿机理分析 1、电击穿 2、热击穿 二、雪崩击穿条件 1、雪崩碰撞电离率及倍增因子 2、雪崩击穿条件 三、雪崩击穿电压及其影响因素 1、突变结的雪崩击穿电压 2、线性缓变结的雪崩击穿电压 3、扩散结的雪崩击穿电压 4、影响雪崩击穿电压的因素 5、几种不正常的击穿特性 四、击穿现象的应用-稳压二极管,96,一、 击穿机理分析,加在p-n结上的反向电压超过一定限度时反向电流突然剧增的现象称为p-n结击穿，与之对应的反向电压称为击穿电压，记为VB。,热击穿,电击穿,雪崩

30、击穿,隧道击穿,p-n结击穿,强反偏,97,隧道击穿是由隧道效应引起的电流剧增。通常发生在p区和n区掺杂浓度都很高的p-n结中。当很高的反向偏压作用在两侧掺杂浓度都很高(xm小)的p-n结上时，有可能使p区的价带顶高于n区的导带底。此时p区部分价带电子的能量高于n区导带电子 的能量。p区价带电子将按一定的几率穿透势垒到达n区导带，形成反向电流隧道电流。这种效应称为隧道效应。由这种效应引起的击穿称为隧道击穿。,98,99,两种击穿形式的比较,相同点：电压微小增加，电流剧增击穿特性 非破坏性可逆击穿,不同点：1、机理不同 2、隧道击穿要求高反压、窄势垒，故发生在重掺结中 雪崩击穿要求高场强、宽势垒

31、，发生在低掺杂结中 3、小于4Eg/q为隧道击穿，大于6Eg/q为雪崩击穿，两者 之间两种机制并存 4、温度影响：随温度升高，晶格振动加剧，平均自由程减小 禁带宽度减小，隧穿几率上升 故雪崩击穿电压有正温度系数，隧道击穿电压有负温度系数 5、光照、快速粒子轰击等增加参与倍增载流子数，使雪崩击穿 电压下降，而对隧道击穿电压无影响,100,热击穿,由于热效应引起的p-n结的破坏性击穿,电流,101,二、雪崩击穿条件,1、雪崩碰撞电离率及倍增因子,定义雪崩碰撞电离率：一个载流子在电场作用下漂移单位距离所能碰撞电离产生的电子空穴对数。 描述载流子碰撞电离的能力 有n、 p之分 对电场强度有强烈的依赖关

32、系 有效电离率近似,定义倍增因子M：发生雪崩倍增后的反向电流I与未发生雪崩倍增时的反向电流I0之比，即M=I/I0。描述载流子倍增程度的强弱。,102,2、雪崩击穿条件,103,2、雪崩击穿条件,未发生雪崩时，反向电流密度：,发生雪崩时，在 区间：,流入dx薄层： 电子流密度jn(x) 空穴流密度jp(x+dx) 在dx中倍增后，流出dx薄层： 电子流密度jn(x+dx) 空穴流密度jp(x),两侧流入dx的载流子流密度为jn(x)+jp(x+dx) 它们在流经dx时产生的电子-空穴对数为jn(x)+jp(x+dx),104,沿x方向， Jn(x)增加 Jp(x)减小 但两电流方向一致,在dx

33、中，乃至p-n结中的总电流密度J与位置x无关电流连续性,105,一个载流子在穿过势垒区时只要能够碰撞产生出一对电子空穴对，即可发生雪崩击穿。,106,雪崩倍增因子M强烈依赖于外加电压 势垒区中，各处不同，只有当E较大时， (E)才剧烈增大 碰撞电离实际上集中发生在电场最强部位附近 对倍增有贡献的部分主要产生在势垒中最大场强处,107,三、雪崩击穿电压及其影响因素,1、突变结的雪崩击穿电压,电压一定时，p-n结掺杂 浓度越高，场强越大,单边突变结的击穿电压主要决定于高 阻侧的掺杂浓度，且与该浓度成反比,由雪崩击穿条件和雪崩碰撞电离率与电场强度的依赖关系可以求出雪崩击穿临界场强，进而计算雪崩击穿电

34、压,108,经验公式,109,2、线性缓变结的雪崩击穿电压,线性缓变结杂质浓度梯度 越大，击穿电压就越低,110,3、扩散结的雪崩击穿电压,查：击穿电压本体杂质浓度表面杂质浓度结深的关系曲线 雪崩击穿电压结上浓度梯度结深的关系曲线 用经验公式近似计算,111,p-n结形状的影响 p-n结端面形状的影响 高阻层厚度的影响 表面状态的影响 其它因素的影响,4、影响雪崩击穿电压的因素,平面结 柱面结 球面结 电场集中,深结扩散 保护环 台面结构,112,113,p-n结形状的影响 p-n结端面形状磨角的影响 高阻层厚度的影响 表面状态的影响 其它因素的影响,4、影响雪崩击穿电压的因素,正斜角 负斜角

35、 势垒区宽度变化,关于表面场强与斜角的关系，可以理解为： 1、沿平行于端面方向，空间电荷区宽度随斜角角度变化。同样电压下，宽度增大，场强减小。 2、在端面附近，沿标记方向，单位结面积上电荷数量随斜角角度变化。电荷面密度减小，场强减小。 3、实际上，在端面附近，电场方向随电荷分布而变化，不再垂直于结平面。,114,p-n结形状的影响 p-n结端面形状磨角的影响 高阻层厚度的影响 表面状态的影响 其它因素的影响,4、影响雪崩击穿电压的因素,高阻层 重掺杂衬底,115,四、击穿现象的应用-稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样

36、，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,(b),(c),(a),116,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,117,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳

37、定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,118,(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在硅稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,119,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的