半導體器件物理課件

半導體器件物理課件第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言PN結是幾乎所有半導體器件的基本單元。除金屬－半導體接觸器件外，所有結型器件都由PN結構成。PN結本身也是一種器件－整流器。PN結含有豐富的物理知識，掌握PN結的物理原理是學習其它半導體器件器件物理的基礎。由P型半導體和N型半導體實現(xiàn)冶金學接觸（原子級接觸）所形成的結構叫做PN結。任何兩種物質（絕緣體除外）的冶金學接觸都稱為結（junction）,有時也叫做接觸（contact）。1.PN結定義：第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言2.幾種分類：因此PN結有同型同質結、同型異質結、異型同質結和異型異質結之分。廣義地說，金屬和半導體接觸也是異質結，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬－半導體接觸或金屬－半導體結（M-S結）。

同質結：由同種物質構成的結（如硅）；異質結：由不同種物質構成的結（如硅和鍺）

；同型結：由同種導電類型的物質構成的結（如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結：由不同種導電類型的物質構成的結（如P-硅和N-硅、P-鍺和N－鍺）；第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言3.采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程(a)拋光處理后的型硅晶片(b)采用干法或濕法氧化工藝的晶片氧化層制作

(c)光刻膠層勻膠及堅膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜的晶片n-

Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后的晶片

第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言采用硅平面工藝制備PN結的主要工藝過程(g)完成光刻后去膠的晶片

(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）PN結制作完成

(h)通過擴散（或離子注入）形成PN結P-

SiN-

SiSiO2N+第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言4.突變結與線性緩變結

1)突變結：

P區(qū)和N區(qū)雜質過渡陡峭單邊突變結（一側的雜質濃度遠遠大于另一側的質濃度的突變結）第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日引言4.突變結與線性緩變結

2)線性緩變結：

在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質過渡是漸變的第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結1.PN結空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)費米能級恒定原理）在形成結之前N型材料中費米能級靠近導帶底，P型材料中費米能級靠近價帶頂。當N型材料和P型材料被連接在一起時，費米能級在熱平衡時必定恒等。p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

漂移

漂移

擴散

擴散

E

ny

py

（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子的擴散運動形成空間電荷區(qū)形成內建電場促使少子漂移阻止多子擴散第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日內建電場：

空間電荷區(qū)中的正、負電荷間產生的電場，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。平衡p-n結：

載流子在內建電場的作用下，漂移運動和擴散運動相抵時，所達到的動態(tài)平衡（p-n結的凈電流為零）。

++++++------空間電荷區(qū)內建電場第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日形成擴散電流并增加空間電荷區(qū)的寬度平衡時平衡p-n結形成漂移電流并減小空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度也達到穩(wěn)定，電流為零多子的擴散運動少子的漂移運動第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結2.PN結空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費米能級的條件是由電子從N型一邊轉移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉移實現(xiàn)的。電子和空穴的轉移在N型和P型各邊分別留下未被補償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動的，稱為空間電荷。空間電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對應的空間電荷分布第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結3.幾個概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種近似稱為耗盡近似。因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（又稱為耗盡層）。在完全耗盡的區(qū)域，自由載流子密度為零。內建電勢差：由于內建電場，空間電荷區(qū)兩側存在電勢差，這個電勢差叫做內建電勢差（用表示）。勢壘區(qū)：N區(qū)電子進入P區(qū)需要克服勢壘，P區(qū)空穴進入N區(qū)也需要克服勢壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢壘區(qū)。中性近似：假設耗盡區(qū)以外，在雜質飽和電離情況下，多子濃度等于電離雜質濃度，因而保持電中性，因此PN結空間電荷區(qū)外部區(qū)域常稱為中性區(qū)。中性區(qū)自由載流子濃度與雜質濃度相等，不存在電場。第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結4.空間電荷區(qū)內建電勢差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間的電位差）方法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費米勢為零基準時：（2-1-2b）由中性區(qū)電中性條件，即電荷的總密度為零。得到：即：（2-1-4）第十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結方法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-1-5）對于N型的中性區(qū)，假設，。即

，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢為：（2-1-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間的電位差為（2-1-7）第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結方法二：（費米能級恒定）從費米能級恒定的觀點來看，熱平衡PN結具有統(tǒng)一的費米能級。形成PN結之前N區(qū)費米能級比P區(qū)費米能級高。形成PN結之后，費米能級恒定要求N區(qū)費米能級相對P區(qū)費米能級下降，則原費米電勢差

即PN結中N型與P型中性區(qū)間電勢差。未形成PN結之前的N區(qū)（P區(qū)）的電子（空穴）濃度為：可以得到分別的費米能級為：再由熱電勢，得：第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日方法三：（在平衡狀態(tài)下，凈的空穴電流密度為零）并可進一步求出內建電勢為從上式可解出內建電場，由于，，故得：第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結5.利用Poisson方程求解單邊突變結(P+N)SCR內建電場、內建電勢、內建電勢差和耗盡層寬度N側Poisson方程：P側Poisson方程：空間電荷的電中性：空間電荷層寬度：對于單邊突變結：單邊突變結電荷分布、電場分布、電勢分布第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結對N側Poisson方程邊界條件：應用做一次積分：得：邊界條件：再次積分：第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結很小，由電勢連續(xù)性，內建電勢差：——擴散電勢或自建電勢——熱平衡下的勢壘高度耗盡層寬度：思考：利用Poisson方程求解突變結SCR（非單邊）內建電場、內建電勢、內建電勢差和耗盡層寬度第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.1熱平衡PN結6.學習要求1)掌握下列名詞、術語和基本概念：PN結、突變結、線性緩變結、單邊突變結、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內建電場、內建電勢差、勢壘。2)分別采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋PN結空間電荷區(qū)（SCR)SpaceChargeRegion)的形成3)正確畫出熱平衡PN結的能帶圖（圖2-3a、b）。4)利用中性區(qū)電中性條件導出空間電荷區(qū)內建電勢差公式：5)解Poisson方程求解單邊突變結SCR內建電場、內建電勢、內建電勢差和耗盡層寬度。（2-1-7）第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結1.加偏壓的PN結的能帶圖1)熱平衡時2)加正向偏壓時耗盡層寬度為耗盡層寬度為第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結加正向偏壓時遠離PN結空間電荷區(qū)的中性區(qū)的準費米能級

和

。偏壓

使熱平衡費米能級分裂，N區(qū)準費米能級

相對P區(qū)準費米能級

上移

。相應地，N區(qū)各個能級上移

。勢壘高度降至。在空間電荷區(qū)由于，可以認為費米能級

和

通過空間電荷區(qū)時分別不變。在空間電荷區(qū)N側，空穴準費米能級從

逐漸升高,最后與準電子費米能級

相等。這個空穴準費米能級變化的區(qū)域，稱為空穴擴散區(qū)。類似地，在空間電荷區(qū)P側

逐漸下降,最后與空穴準費米能級相等。這個電子準費米能級變化的區(qū)域，稱為電子擴散區(qū)。第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結3)加反偏壓時耗盡層寬度為N區(qū)接正電位，在遠離PN結空間電荷區(qū)的中性區(qū)，

及諸能級相對P區(qū)

下移

。在空間電荷區(qū)由于載流子耗盡，通過空間電荷區(qū)時

和

不變。勢壘高度增加至，增高的勢壘阻擋載流子通過PN結擴散，通過PN結的電流非常小，結的阻抗很高。耗盡層寬度（突變結）：（2-2-1）第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結4)根據(jù)載流子擴散與漂移的觀點分析結的單向導電性

正偏壓使空間電荷區(qū)內建電勢差由下降到

打破了PN結的熱平衡，使載流子的擴散運動占優(yōu)勢即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內建電勢差由上升到

同樣打破了PN結的熱平衡，使載流子的漂移運動占優(yōu)勢,這種漂移是N區(qū)少子空穴向P區(qū)和P區(qū)少子電子向N區(qū)的漂移，因此電流是反向的且很小。第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結在正偏壓下，外加電壓降低了PN結的勢壘，加強了電子從N側到P側的擴散以及空穴從P側到N側的擴散。2.少數(shù)載流子的注入與輸運1)結邊緣的少數(shù)載流子濃度——N側和P側平衡電子濃度——N側和P側平衡空穴濃度自建電勢：（2-2-9）第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結加上偏壓，結電勢變?yōu)椤狽側和P側空間電荷層邊緣的電子濃度考慮低水平注入，得：類推得：——（2-2-11,12）空間電荷層邊緣的少數(shù)載流子濃度正向少子注入：當PN結加上正向偏壓時，在結邊緣反向少子抽?。寒擯N結加上反向偏壓時，在結邊緣1)結邊緣的少數(shù)載流子濃度第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結2)空間電荷效應和擴散近似在注入載流子存在的區(qū)域，假設電中性條件完全得到滿足。注入載流子通過擴散運動在電中性區(qū)中輸運。這種近似稱為擴散近似。在擴散近似下，穩(wěn)態(tài)載流子輸運滿足擴散方程。注入PN結的N側的空穴及其所造成的電子分布第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日(2-2-3)空穴電流(2-2-4)(2-2-5)電子電流(2-2-6)第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.2加偏壓的PN結3.學習要求1)掌握名詞、術語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴散近似、擴散區(qū)2)正確畫出加偏壓PN結能帶圖。3)根據(jù)修正歐姆定律分析結的單向導電性4)根據(jù)載流子擴散與漂移的觀點分析結的單向導電性5)掌握反偏壓下突變結，耗盡層寬度公式（2-2-1）6)導出少數(shù)載流子濃度公式（2-2-11）和（2-2-12）第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性1.理想的P-N結的基本假設及其意義1)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導體是電中性的，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。2)均勻摻雜。無內建電場，載流子不作漂移運動。3)空間電荷區(qū)內不存在復合電流和產生電流。4)小注入，即5)半導體非簡并第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性2.載流子分布滿足邊界條件解得解穩(wěn)態(tài)擴散方程第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性2.載流子分布對于長二極管，上式簡化為PN結P側的電子分布為少數(shù)載流子分布第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性3.電流分布對于長二極管，空穴注入所引起的擴散電流為在空間電荷層邊緣（2-3-8），空穴電流為空穴電流分布改寫為（2-3-9）第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性3.電流分布（2-3-15）類似，電子電流分布為空穴電流分布為第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性3.電流分布公式（2-3-9）和（2-3-15）指出，由于少子電流沿遠離PN結的方向而e指數(shù)地減小。因為總電流相對于x來說必定不變，才能滿足電流連續(xù)性。所以多子電流必須隨著x增加而增加，以補償空穴電流的下降。也就是說，少子電流通過電子空穴對的復合不斷地轉換為多子電流。電子電流和空穴電流：忽略空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流，得總電流：——二極管飽和電流第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性4.PN結飽和電流的幾種表達方式(一般是反向飽和電流)理想PN結飽和電流來源于擴散區(qū)內產生的非平衡少數(shù)載流子。（2-3-21）（2-3-20）二極管飽和電流由電子擴散電流和空穴擴散電流兩部分構成（2-3-18）（2-3-19）對于P+N(N+P)單邊突變結，電子電流（空穴電流）可以忽略與半導體材料的禁帶寬度有密切的關系。禁帶寬度大，其值越小。第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性5.反向偏置PN結的少子分布和電流分布（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流反向偏壓——反向飽和電流——分別是PN結空穴擴散區(qū)和電子擴散區(qū)所發(fā)生的空穴產生電流和電子產生電流第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性6.PN結的典型電流電壓特性

PN結正向電流隨外加電壓e指數(shù)增加，反向電流則很小，這就是PN結的單向導電性。第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.3理想PN結的直流電流－電壓特性7.學習要求1)了解理想PN結基本假設及其意義。2)根據(jù)公式（2-3-4）導出長PN結和短PN結少子分布表達式。3)導出公式（2-3-16）、（2-3-17)。4)根據(jù)公式（2-3-21）解釋理想PN結反向電流的來源。5)畫出正、反偏壓下PN結少子分布、電流分布和總電流示意圖。第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流1.復合電流（在正偏壓的時候出現(xiàn)）正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致，這些過量載流子穿越空間電荷層，使得超過平衡值，因此，在空間電荷層中會有復合。復合電流：考慮最大復合條件外加電壓V時，在勢壘區(qū)中，平衡時，可見：當V=0

時，np=ni2

，U=0

，不發(fā)生凈復合；當V>0時，np>ni2

，U>0，發(fā)生凈復合；當V<0時，np<ni2

，U<0，發(fā)生凈產生。？？第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日其中：（2-4-5）得：最大復合率為:考慮最大復合影響外加電壓V一定時，第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流圖2-11襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴散結的電流電壓特性低偏壓：空間電荷區(qū)的復合電流占優(yōu)勢偏壓升高：擴散電流占優(yōu)勢更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了（擴散電流為主）第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流2.擴散電流對于P+N結，當外加正向電壓且V>>VT

時，把擴散電流記為3.復合電流與擴散電流的比較（對于P+N結）上式表明，若越小，電壓愈低，則勢壘區(qū)復合電流的影響愈大；半導體材料的禁帶寬度愈大，勢壘區(qū)復合電流愈大；硅PN結比鍺PN結勢壘區(qū)復合電流大；PN結輕摻雜區(qū)雜質濃度愈大，勢壘區(qū)復合電流愈大。

第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流4.產生電流（在反向偏壓的時候出現(xiàn)）PN結處于反向偏壓，空間電荷區(qū)中，有：產生率：產生電流：由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的，產生電流也隨著反向偏壓的增加而增加。第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.4空間電荷區(qū)的復合電流和產生電流5.學習要求理解并掌握概念：正偏復合電流反偏產生電流推導公式（2-4-2）、（2-4-5）、（2-4-9）理解低偏壓下空間電荷區(qū)的復合電流占優(yōu)，隨著電壓增加擴散電流越來越成為主要成分第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流1.量子力學的隧道效應當PN結的P側和N側均為重摻雜的情況時，有些載流子可能穿透勢壘而產生額外的電流2.產生隧道電流的條件（1）費米能級位于導帶或價帶的內部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3）在相同的能量水平上在一側的能帶中有電子而在另一側的能帶中有空的狀態(tài)。當結的兩邊均為重摻雜，從而成為簡并半導體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流3.隧道效應p(a)0K和沒有外加偏壓(b)外加正向偏壓(c)外加正向偏壓第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流4.隧道效應(d)外加正向偏壓(e)外加反向偏壓第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流5.隧道機制分析簡化的隧道穿透幾率：——勢壘高度——空間電荷層寬度（勢壘厚度）代入得：（2-5-1）則隧道電流可為：——隧道電子的速度第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流5.隧道機制分析若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流電壓曲線則將被改變成示于圖2-14b中的情形。這稱為反向二極管第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.5隧道電流6.隧道二極管的特點和應用上的局限性（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應工作的。由于單位時間內通過結的多數(shù)載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。（2）隧道結是用重摻雜的簡并半導體制成，由于溫度對多子的影響小，使隧道二級管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應的本質是量子躍遷過程，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道二級管能夠應用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電路以及低噪音微波放大器。由于應用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二極管的利用受到限制。第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日7.學習要求畫出能帶圖解釋隧道二極管的I－V特性了解隧道二極管的特點和局限性2.5隧道電流第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.PN結處于正向偏置2.6溫度對PN結I-V特性的影響總電流（擴散電流）：（2-3-16）復合電流：（2-4-5）得：（2-6-1）式中隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時，不太大的正偏壓（Si0.3V）就使占優(yōu)勢。

第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.PN結處于反向偏置2.6溫度對PN結I-V特性的影響（2-6-2）隨著溫度增加，增大，也是擴散電流占優(yōu)勢。無論是在正向還是反向偏置，PN結的溫度特性主要取決于二極管方程：（2-3-16）反向偏壓情況下，二極管I－V特性的溫度效應：（2-3-18）（2-4-9）第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.PN結處于反向偏置2.6溫度對PN結I-V特性的影響相對來說，括號內的參量對溫度變化不靈敏。

（2-6-3）對T求導，所得的結果除以，得到（2-6-4）反映了反偏壓情況下，二極管I－V特性的溫度效應。20

40

60

80

100

101

102

103

100

VR=6V

T°C

第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.PN結處于正向偏置2.6溫度對PN結I-V特性的影響?。?-6-5）導出：代入（2-6-4）式，得到

（2-6-7）I，A

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10-5

150°C

25°C

-55°C

V—V

結電壓隨溫度變化十分靈敏，常用來精確測溫和控溫第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日5.學習要求了解PN結I－V特性的溫度依賴關系了解公式（2-6-3）、（2-6-7）、（2-6-8）2.6溫度對PN結I-V特性的影響第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.耗盡層電容

已經證明耗盡層寬度是偏置電壓的函數(shù)，由于在結的兩個半邊內空間電荷直接正比于耗盡層寬度，則有：2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管（2-7-1）空間電荷層小信號電容：得：（2-7-3）C稱為過渡電容或耗盡層電容有時亦稱為勢壘電容第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日1.耗盡層電容

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管PN結空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。

常用關系：

（2-7-7）21C

0y

RV

1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.求雜質分布

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管在雜質分布未知的PN結中，可以利用電容電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質分布，此稱求雜質分布?？紤]任意雜質分布：（2-7-8）x

()xN

()WN

W

dW

式中是在空間電荷層邊緣處的雜質濃度。由泊松方程，電場增量是與電荷增量之間具有如下關系：電場增量偏壓增量的具有如下關系：

（2-7-9）第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.求雜質分布

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管由

得：

——勢壘電容把（2-7-9）式至（2-7-11）式代入（2-7-8）式并將結果重新整理得到（2-7-12）（2-7-11）第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管在不同反偏壓下測量電容：用（2-7-11）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度：畫出相對的曲線。從此曲線中取并將其結果代入（2-7-12）式計算出畫出完整的雜質分布注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應這些荷電的狀態(tài)。

第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管由勞倫斯和沃納用計算機算出的結果第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日3.求雜質分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管由勞倫斯和沃納用計算機算出的結果第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.變容二極管

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管根據(jù)（2-7-3）可見反向偏置的PN結可以作為電容使用在LC調諧電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變容二極管。結型二極管的電容電壓方程可寫成

：對于單邊突變結，，如式（2-7-3）中所表示。

第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日4.變容二極管

2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管包括一個P-N結電容的LC電路，其諧振頻率可表示為（2-7-13）在電路應用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關系，也就是說，要求。第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日5.學習要求掌握概念：耗盡層電容、求雜質分布、變容二極管掌握耗盡層電容公式（2-7-3）、（2-7-11）2.7耗盡層電容求雜質分布和變容二極管掌握C－V關系：公式（2-7-7）及其應用掌握求雜質分布的概念及求解程序掌握使用圖表2-18求電容的方法了解變容二極管的應用及其設計原則第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日PN結在小信號工作時特點：信號電流與信號電壓之間滿足線性關系，從物理上說，就是器件內部的載流子分布的變化跟得上信號的變化。2.8PN結二極管的頻率特性器件的頻率特性：器件處理連續(xù)波時所表現(xiàn)出來的性能。

器件的開關特性（瞬變）：器件處理數(shù)字信號和脈沖信號時所表現(xiàn)出來的性能。（大信號）PN結在大信號工作時特點：I－V特性和C－V特性等都是非線性的。討論PN結在小信號工作時，可以把電流、電壓以及非平衡載流子的瞬態(tài)值表示成直流成分與交流成分的疊加：小信號條件：（2-8-1）第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性空穴分布：1.少子邊界條件（2-8-3）在PN結邊緣N側處，（2-8-7）對于采用近似：得：（2-8-3）式中：少子的邊界條件為:

（2-8-11）第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性在N型中性區(qū)，把空穴分布2.交流少子連續(xù)性方程代入連續(xù)性方程：（2-8-4）式中得由于（2-8-5）第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性3.交流少子分布（2-8-14）N區(qū)空穴交流分量對于長二極管（

）

（2-8-13）第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性交流少子分布P區(qū)電子交流分量（2-8-16）（2-8-18）第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性4.交流電流（2-8-15）（2-8-20）總的交流電流

而空穴電流：

注入到P區(qū)電子交流分量：

得：

（2-8-18）第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性5.二極管的交流導納二極管的交流導納定義為交流電流與交流電壓之比：（2-8-22）其中為二極管正向電流直流成分。

直流電導也叫做擴散電導，其倒數(shù)叫做PN結擴散電阻。稱為P-N結擴散電容。其性質如下：1、擴散電容在PN結正偏壓情況下出現(xiàn)。偏壓愈高，擴散電容愈大。反偏PN結不存在貯存電荷，因此不表現(xiàn)出擴散電容；2、工作電流愈大，擴散電容愈大；3、對于高頻情形，存貯電荷跟不上結電壓的變化、很小，對于

低頻情況，擴散電容特別重要；4、減少少子壽命（硅材料中摻金）可以有效地減小擴散電容。第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性6.二極管的等效電路

在許多應用中，總是根據(jù)在使用條件下半導體器件各部分的物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定的電路來達到等效器件的功能。這種電路叫做等效電路。PN結小信號交流等效電路如圖2-20所示。——耗盡層電容——串聯(lián)電阻——擴散電容——直流電導第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.8PN結二極管的頻率特性7.學習要求掌握概念：交流導納擴散電導擴散電阻擴散電容等效電路掌握解擴散方程求出了交流少子分布、電流分布、交流電流掌握二極管等效電路第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性1.二極管的開關作用PN結二極管處于正向偏置時，允許通過較大的電流，處于反向偏置時通過二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時二極管的工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時的工作狀態(tài)叫作關態(tài)?？梢娊Y二極管能起到開關作用。第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性2.PN結的反向瞬變電流和電壓的延遲現(xiàn)象源于PN結的電荷貯存效應第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性3.PN結二極管的電荷存儲效應PN結加一恒定的正向偏壓時，載流子被注入并保持在結二極管中，在擴散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷存儲效應。當正向偏壓突然轉至反向偏壓時，在穩(wěn)態(tài)條件下所保持的載流子并不能立刻消除。第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性4.PN結反向瞬變的定性解釋

到則沿X軸的正方向，于是電流反向。

1、在處注入的載流子濃度結界面不斷下降，注入載流濃度的梯度2、注入的非平衡少子的濃度梯度不變，因此反向電流變成反向電流的原因。

為常量。這就解釋了當偏壓由立即變成擴散電流之后，但在這一段時間內，由于在減小，因此平衡少子被去除完畢，于是結電壓為零。

仍然大于面上，因此PN結兩端的電壓3、在也在減小，當時，可以認為，即全部注入的非第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性PN結反向瞬變的定性解釋

在，因而也愈來愈小，因此也愈來愈小，電流和電壓波形中出現(xiàn)“尾巴”。（即達到穩(wěn)定的反偏狀態(tài)之后）由于反向偏壓PN結的抽取作用，在面上達到反向偏壓PN結穩(wěn)定狀態(tài)時的分布狀況，第八十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性5.PN結反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

考慮長P+N結二極管的電荷貯存效應。

N側的總貯存電荷定義為（2-9-1）對連續(xù)方性程從0至求一次積分（令）并利用（2-9-1）式，得到

（2-9-2）——電荷控制方程

第八十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性PN結反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

為在全部貯存電荷被去除（定義貯存時間）所需要的時間，從而

通過解依賴于時間的連續(xù)性方程進行精確分析得到的是（2-9-7）（2-9-8）第八十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日

2.9PN結二極管的開關特性6.階躍恢復二極管反向瞬變波形可以通過在二極管中引入一自建場進行修正。例如若在P+N二極管輕摻雜一側的雜質濃度為

（2-9-9）自建電場為：式中為在PN結處的雜質濃度；a為常數(shù)。（2-9-10）于是注入的非平衡少子空穴既有擴散運動，也有在自建場作用下的漂移運動。自建場沿著-x方向，漂移電流也沿-x方向，方向當二極管由正向偏置轉換到反向偏置之后，注入少子空穴開始反向流向空間電荷區(qū)，而此時自建場E將加速這種流動。

第八十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.9PN結二極管的開關特性7.學習要求掌握概念：PN結二極管的開關作用、反向瞬變、電荷貯存、貯存時間、電荷控制分析方法、階躍恢復二極管根據(jù)PN結二極管的少數(shù)載流子分布示意圖定量地解釋PN結二極管的反向瞬變現(xiàn)象。利用電荷控制方法求得貯存時間并與嚴格解的結果比較。掌握階躍恢復二極管工作原理第八十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期日2.10

PN結擊穿1.PN結擊穿當加在PN結上的反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結就會