第八章-pn結(jié)二極管課件

第八章pn結(jié)二極管第八章pn結(jié)二極管1第八章pn結(jié)二極管8.1pn結(jié)二極管的I-V特性8.2pn結(jié)的小信號(hào)模型8.3產(chǎn)生-復(fù)合流（與理想I-V特性的偏離）8.4pn結(jié)的擊穿8.5pn結(jié)的瞬態(tài)特性8.6隧道二極管第八章pn結(jié)二極管8.1pn結(jié)二極管的I-V特性28.1pn結(jié)電流

將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理，器件參數(shù)之間建立定性和定量的關(guān)系。1.定性推導(dǎo)：分析過(guò)程，處理方法2.定量推導(dǎo)：建立理想模型-寫(xiě)少子擴(kuò)散方程，邊界條件-求解少子分布函數(shù)-求擴(kuò)散電流-結(jié)果分析。3.分析實(shí)際與理想公式的偏差，造成偏差的原因8.1pn結(jié)電流將二極管電流和器件內(nèi)部的工作機(jī)理，器30偏正偏反偏0偏正偏反偏4

1.熱平衡狀態(tài)電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)需有足夠的能量克服“勢(shì)壘”。只有少數(shù)高能量的電子能越過(guò)勢(shì)壘到達(dá)P區(qū)，形成擴(kuò)散流。P區(qū)的電子到達(dá)n區(qū)不存在勢(shì)壘，但是少子，少數(shù)電子一旦進(jìn)入耗盡層，內(nèi)建電場(chǎng)就將其掃進(jìn)n區(qū)，形成漂移流。熱平衡：電子的擴(kuò)散流=漂移流空穴的情況與電子類(lèi)似8.1pn結(jié)電流

1.熱平衡狀態(tài)電子從n區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)需有足夠的能量克服“勢(shì)壘52.加正偏電壓勢(shì)壘高度降低，n型一側(cè)有更多的電子越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)，形成凈電子擴(kuò)散電流IN，同理可分析空穴形成擴(kuò)散電流IP。流過(guò)pn結(jié)的總電流I=IN+IP。因?yàn)閯?shì)壘高度隨外加電壓線性下降，而載流子濃度隨能級(jí)指數(shù)變化，所以定性分析可得出正偏時(shí)流過(guò)pn結(jié)的電流隨外加電壓指數(shù)增加。2.加正偏電壓勢(shì)壘高度降低，n型一側(cè)有更多的電子越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)6正偏時(shí)的能帶/電路混合圖正偏時(shí)的能帶/電路混合圖7

3.反向偏置：勢(shì)壘高度變高，n型一側(cè)幾乎沒(méi)有電子能越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)，p區(qū)一側(cè)有相同數(shù)目的電子進(jìn)入耗盡層掃入n區(qū)，形成少子漂移流，同理n區(qū)的空穴漂移形成IP，因與少子相關(guān)，所以電流很小，又因?yàn)樯僮拥钠婆c勢(shì)壘高度無(wú)關(guān)，所以反向電流與外加電壓無(wú)關(guān)。3.反向偏置：8反偏時(shí)的能帶/電路混合圖反偏時(shí)的能帶/電路混合圖9第八章-pn結(jié)二極管ppt課件108.1.2理想的電流-電壓關(guān)系理想p-n結(jié)，滿(mǎn)足以下條件的p-n結(jié)（1）雜質(zhì)分布為非簡(jiǎn)并摻雜的突變結(jié)

p=n0-xp<x<xn

（耗盡層近似）(x)=-qNA-xp<x<0qND0<x<xn（2）小注入條件：p區(qū)：n<<pp0n區(qū)：p<<nn0

（3）pn結(jié)內(nèi)電子電流和空穴電流為連續(xù)函數(shù)pn結(jié)內(nèi)的總電流處處相等（穩(wěn)態(tài)）

8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系理想p-n結(jié)，滿(mǎn)足以下條件的11(4)忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復(fù)合，即認(rèn)為電子、空穴通過(guò)勢(shì)壘區(qū)所需時(shí)間很短，來(lái)不及產(chǎn)生與復(fù)合，故通過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電子電流和空穴電流為恒定值。8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系(4)忽略耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生與復(fù)合，即認(rèn)為電子、空穴通過(guò)12Figure8.3Figure8.3138.1.2理想的電流-電壓關(guān)系方法步驟：（1）邊界條件（2）擴(kuò)散方程（3）求解方程得到少子分布函數(shù)表達(dá)式（4）由少子分布函數(shù)求出流過(guò)pn結(jié)的電流8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系方法步驟：14Figure8.3Figure8.3158.1.2理想的電流-電壓關(guān)系邊界條件：在空間耗盡層邊界：

pn結(jié)定律：8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系邊界條件：在空間耗盡層邊界：16Figure8.48.1.2理想的電流-電壓關(guān)系Figure8.48.1.2理想的電流-電壓關(guān)系17p區(qū)n區(qū)（1）邊界條件：p區(qū)n區(qū)（1）邊界條件：18P區(qū)擴(kuò)散方程邊界條件通解特解電子電流P區(qū)擴(kuò)散方程邊界條件通解特解電子電流19擴(kuò)散方程邊界條件通解滿(mǎn)足邊界條件的特解電子的擴(kuò)散電流密度n區(qū)擴(kuò)散方程邊界條件通解滿(mǎn)足邊界條件的特解電子的擴(kuò)散電流密度n區(qū)208.1.2理想的電流-電壓關(guān)系隨溫度的升高，本征載流子濃度升高，飽和電流增加，二極管的正向電流和反向電流都會(huì)隨溫度增加而升高。8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系隨溫度的升高，本征載流子濃度21正偏時(shí)的過(guò)剩少子濃度分布8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系正偏時(shí)的過(guò)剩少子濃度分布8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系22電子電流和空穴電流的分布圖8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系電子電流和空穴電流的分布圖8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系238.1.2理想的電流-電壓關(guān)系8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系248.1.2理想的電流-電壓關(guān)系8.1.2理想的電流-電壓關(guān)系25Figure8.8Figure8.826第八章-pn結(jié)二極管ppt課件27第八章-pn結(jié)二極管ppt課件28反向偏置下p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí)反向偏置下p-n結(jié)費(fèi)米能級(jí)29短二極管n區(qū)或p區(qū)的寬度遠(yuǎn)小于少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度的二極管叫短二極管P區(qū)的擴(kuò)散方程，邊界條件和求解結(jié)果與前面的完全一致。短二極管n區(qū)或p區(qū)的寬度遠(yuǎn)小于少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度的二極管叫短二極30擴(kuò)散方程邊界條件通解滿(mǎn)足邊界條件的特解n區(qū)擴(kuò)散方程邊界條件通解滿(mǎn)足邊界條件的特解n區(qū)31第八章-pn結(jié)二極管ppt課件328.2產(chǎn)生-復(fù)合流理想電流-電壓方程與小注入下Gep-n結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，與Si和GaAsp-n結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離較大。實(shí)際p-n結(jié)的I-V特性：（1）正向電流小時(shí)，實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，曲線斜率q/2kT（2）正向電流較大時(shí)，理論計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值大（c段）（3）正向電流更大時(shí)，J-V關(guān)系不是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系（4）反向偏壓時(shí)，實(shí)際反向電流比理論計(jì)算值大得多，而且隨反向電壓的增加略有增加。8.2產(chǎn)生-復(fù)合流理想電流-電壓方程與小注入下Gep-n33耗盡層中載流子的復(fù)合和產(chǎn)生耗盡層中載流子的復(fù)合和產(chǎn)生348.2.1反偏產(chǎn)生電流

反偏時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)加強(qiáng)，耗盡層中載流子的濃度將會(huì)下降，低于平衡值，導(dǎo)致耗盡層中電子-空穴的產(chǎn)生，復(fù)合中心產(chǎn)生的電子、空穴來(lái)不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)掃出勢(shì)壘區(qū)，形成產(chǎn)生電流IG,因此增大了反向電流8.2.1反偏產(chǎn)生電流反偏時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)加強(qiáng)，耗盡層35Figure8.17Figure8.1736第八章-pn結(jié)二極管ppt課件37勢(shì)壘區(qū)寬度W隨反向偏壓的增加而變寬，JG隨反向電壓增加而增加，所以勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電流是不飽和的，反向總電流IR隨反向偏壓增加而緩慢地增加?？偡聪螂娏鳎篒R=I0+IG勢(shì)壘區(qū)寬度W隨反向偏壓的增加而變寬，JG隨反向電壓增加而增38反偏產(chǎn)生流JG的推導(dǎo)由復(fù)合理論得到過(guò)剩電子與空穴的復(fù)合率的表達(dá)式為：對(duì)于反偏pn結(jié)，耗盡層內(nèi)存在可移動(dòng)的電子-空穴濃度很少，np0反偏產(chǎn)生流JG的推導(dǎo)由復(fù)合理論得到過(guò)剩電子與空穴的復(fù)合率的表39為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)復(fù)合中心能級(jí)處于本征費(fèi)米能級(jí)所在的位置，則：為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)復(fù)合中心能級(jí)處于本征費(fèi)米能級(jí)所在的位置，則：40第八章-pn結(jié)二極管ppt課件418.2.2正偏復(fù)合流

在正向偏壓時(shí)，耗盡層內(nèi)的載流子濃度高于其熱平衡值，導(dǎo)致耗盡區(qū)載流子的復(fù)合。而形成正向復(fù)合電流JR8.2.2正偏復(fù)合流在正向偏壓時(shí)，耗盡層內(nèi)的載流子濃度42第八章-pn結(jié)二極管ppt課件43正偏復(fù)合電流的推導(dǎo)分子分母同除以CnCpNt,得：正偏復(fù)合電流的推導(dǎo)分子分母同除以CnCpNt,得：44第八章-pn結(jié)二極管ppt課件45第八章-pn結(jié)二極管ppt課件46第八章-pn結(jié)二極管ppt課件47總正偏電流總正偏電流48第八章-pn結(jié)二極管ppt課件498.2pn結(jié)的小信號(hào)模型二極管的小信號(hào)響應(yīng)特性：直流（Va）偏置下，加一正弦電壓va，流過(guò)二極管的電流I+i，此時(shí)pn結(jié)二極管的小信號(hào)特性就會(huì)變的非常重要8.2pn結(jié)的小信號(hào)模型二極管的小信號(hào)響應(yīng)特性：直流（V508.2.1擴(kuò)散電阻假設(shè)二極管外加直流正偏壓V0時(shí)的直流電流為IDQ二極管的擴(kuò)展電阻8.2.1擴(kuò)散電阻假設(shè)二極管外加直流正偏壓V0時(shí)的直流電流51勢(shì)壘電容C

j：形成空間電荷區(qū)的電荷隨外加電壓變化擴(kuò)散電容Cd：p-n結(jié)兩邊擴(kuò)散區(qū)中，當(dāng)加正向偏壓時(shí)，有少子的注入，并積累電荷，它也隨外電壓而變化.擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)。pn結(jié)的電容勢(shì)壘電容Cj：形成空間電荷區(qū)的電荷隨外加電壓變化pn結(jié)的52第八章-pn結(jié)二極管ppt課件538.2.2小信號(hào)導(dǎo)納pn結(jié)的擴(kuò)散電容

正向偏置時(shí)，多數(shù)載流子進(jìn)入和離開(kāi)穩(wěn)態(tài)耗盡層引起的結(jié)電容和反向偏置時(shí)一樣。

二極管正偏時(shí)在耗盡區(qū)邊界的準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)引起少數(shù)載流子的積累。隨著正向偏壓的增加，少子的積累越來(lái)越明顯。在直流偏壓V0，少子分布如圖中虛線所示。再加交流小信號(hào)，少數(shù)載流子就會(huì)在直流值附近張落，即va>0,（正半周期）

少子積累增加，va<0,少子積累減小。隨著外加電壓的變化，Q被交替地充電和放電，少子電荷存儲(chǔ)量的變化與電壓變化量的比值即為擴(kuò)散電容Cd8.2.2小信號(hào)導(dǎo)納pn結(jié)的擴(kuò)散電容54第八章-pn結(jié)二極管ppt課件55(c)(a)8.2.3小信號(hào)導(dǎo)納-等效電路(c)(a)8.2.3小信號(hào)導(dǎo)納-等效電路56小信號(hào)導(dǎo)納等效電阻r,等效電容C，容抗1/jcr與C并聯(lián)，總電阻導(dǎo)納：小信號(hào)導(dǎo)納等效電阻r,等效電容C，容抗1/jc57導(dǎo)納關(guān)系式的數(shù)學(xué)分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流過(guò)二極管的i,Y=i/va.

In0,Ip0為直流靜態(tài)時(shí)的電子和空穴擴(kuò)散流導(dǎo)納關(guān)系式的數(shù)學(xué)分析（略）求出在Va=V0+v(t)偏置下流588.4pn結(jié)的擊穿當(dāng)反向電流超過(guò)允許的最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓的絕對(duì)值稱(chēng)為擊穿電壓VBR形成反偏pn結(jié)擊穿的物理機(jī)制有齊納擊穿和雪崩擊穿8.4pn結(jié)的擊穿當(dāng)反向電流超過(guò)允許的最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電59齊納擊穿隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘比較薄時(shí)，粒子能穿過(guò)勢(shì)壘到達(dá)另一邊。隧穿發(fā)生的兩個(gè)條件：1、勢(shì)壘一邊有填充態(tài)，另一邊同能級(jí)有未填充態(tài)2、勢(shì)壘寬度小于10-6cm隧穿過(guò)程示意圖齊納擊穿隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘比較薄時(shí)，粒子能穿過(guò)勢(shì)壘60反向偏置pn結(jié)二極管中齊納擊穿過(guò)程的示意圖齊納擊穿反向偏置pn結(jié)二極管中齊納擊穿61二極管的耗盡層寬度小于10-6cm，輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度高于1017cm,齊納過(guò)程比較顯著，對(duì)應(yīng)的二極管的擊穿電壓比較小，當(dāng)VBR<4Eg/e,齊納過(guò)程起主導(dǎo)作用。齊納擊穿二極管的耗盡層寬度小于10-6cm，輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃62雪崩擊穿小的反向電壓時(shí)，載流子穿過(guò)耗盡層邊加速邊碰撞，但傳遞給晶格的能量少。大的反向電壓碰撞使晶格原子“電離”，即引起電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。雪崩擊穿示意圖雪崩擊穿小的反向電壓時(shí)，載流子穿過(guò)耗盡層邊加速邊碰撞，但傳遞63假設(shè)在x=0處，反偏電子電流In0進(jìn)入了耗盡區(qū),由于雪崩效應(yīng)的存在，電子電流In會(huì)隨距離增大而增大，如圖所示：在x=W處，電子電流In(W)=MnIn0Mn為倍增因子空穴電流也類(lèi)似假設(shè)在x=0處，反偏電子電流In0進(jìn)入了耗盡區(qū),由于雪崩效64耗盡層中任一點(diǎn)x處的增量電子電流可表達(dá)為：n,p分別為電子與空穴的電離率。即：?jiǎn)挝浑娮樱╪）或單位空穴（p）在單位長(zhǎng)度內(nèi)碰撞產(chǎn)生的電子空穴對(duì)（1）（2）耗盡層中任一點(diǎn)x處的增量電子電流可表達(dá)為：n,p分別為電65第八章-pn結(jié)二極管ppt課件66使倍增因子達(dá)到無(wú)窮大的電壓定義為雪崩電壓，即：電離率是電場(chǎng)的函數(shù)擊穿電壓使倍增因子達(dá)到無(wú)窮大的電壓定義為雪崩電壓，即：電離率是電場(chǎng)67第八章-pn結(jié)二極管ppt課件68P+n和n+p突變結(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系圖雪崩倍增是主要擊穿過(guò)程P+n和n+p突變結(jié)，擊穿電壓隨輕摻雜一側(cè)雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系69單邊突變結(jié)和線性緩變結(jié)的擊穿電壓隨摻雜濃度的變化曲線單邊突變結(jié)和線性緩變結(jié)的擊穿電壓隨摻雜濃度的變化曲線70

隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，勢(shì)壘比較薄時(shí)，粒子能穿過(guò)勢(shì)壘到達(dá)另一邊。

隧穿發(fā)生的兩個(gè)條件：1、勢(shì)壘一邊有填充態(tài)，另一邊同能級(jí)有未填充態(tài)2、勢(shì)壘寬度小于10-6cm8.6隧道二極管隧穿效應(yīng)：量子力學(xué)中，勢(shì)壘比較薄時(shí)，粒子能穿過(guò)勢(shì)壘到達(dá)71n區(qū)和p區(qū)都為簡(jiǎn)并摻雜的pn結(jié)稱(chēng)為隧道二極管

n型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶，p型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶8.6隧道二極管熱平衡時(shí)的能帶圖隧道二極管勢(shì)壘的三角形勢(shì)近似n區(qū)和p區(qū)都為簡(jiǎn)并摻雜的pn結(jié)稱(chēng)為隧道二極管8.6隧道二極管72隧道二極管電流電壓特性的定性討論零偏，電流，電壓均為零加很小正偏壓，n區(qū)導(dǎo)帶中的電子與P區(qū)價(jià)帶中的空態(tài)直接對(duì)應(yīng)，發(fā)生遂穿，形成電流n區(qū)內(nèi)的導(dǎo)帶與p區(qū)內(nèi)的價(jià)帶中，能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多，遂穿電流達(dá)到最大值偏壓繼續(xù)增大，n區(qū)與p區(qū)中能量相同的量子態(tài)在減少，遂穿電流下降n區(qū)與p區(qū)中能量相同的量子態(tài)數(shù)為零，遂穿電流為零，但擴(kuò)散電流仍然存在。電流隨電壓增大而減小的區(qū)域，稱(chēng)為負(fù)微分電阻區(qū)隧道二極管電流電壓特性的定性討論738.6隧道二極管加反偏電壓的隧道二極管的能帶圖如圖所示，p區(qū)價(jià)帶中的電子與n區(qū)導(dǎo)帶中的空量子態(tài)直接對(duì)應(yīng)，因此電子從p區(qū)遂穿到n區(qū)，形成較大反偏電流，任何反偏電壓都會(huì)形成反偏電流，隨反偏電壓的增大，反偏電流單調(diào)增大。8.6隧道二極管加反偏電壓的隧道二極管的能帶圖如圖所示，p區(qū)748.5電荷存儲(chǔ)與二極管瞬態(tài)

正向時(shí)有電流IF流過(guò)p-n結(jié)；然后開(kāi)關(guān)S接到右邊，加一反向偏壓，此時(shí)通過(guò)p-n結(jié)的電流并不是立即變?yōu)榉聪蝻柡碗娏鱅0,而是先經(jīng)過(guò)一個(gè)較大的恒定反向電流IR階段，然后再逐漸衰減到I0.8.5電荷存儲(chǔ)與二極管瞬態(tài)正向時(shí)有電流IF流過(guò)p-n758.5.1關(guān)瞬態(tài)p-n結(jié)的反向瞬變過(guò)程可分為電流恒定和電流衰減兩個(gè)階段，相應(yīng)的瞬變時(shí)間分別以ts和tr表示。ts稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間；tr稱(chēng)為下降時(shí)間，trr=ts+tr即為反向恢復(fù)時(shí)間,(它是反向電流衰減到它的最大值的10%所需的時(shí)間）它比偏壓從正向突變?yōu)榉聪虻乃沧儠r(shí)間長(zhǎng)的多。8.5.1關(guān)瞬態(tài)p-n結(jié)的反向瞬變過(guò)程可分為電流恒定和電流768.5.1關(guān)瞬態(tài)（1）0<t<ts區(qū)間pn結(jié)保持正偏，（少子積累）即使外加電壓達(dá)到使它反偏的程度也仍然如此8.5.1關(guān)瞬態(tài)（1）0<t<ts區(qū)間pn結(jié)保持正偏，（少771.存貯延遲的的定性分析（1）電荷存儲(chǔ)和反向恢復(fù)時(shí)間正偏時(shí)，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到n區(qū)，在耗盡層邊界有少子的積累。導(dǎo)致p-n結(jié)內(nèi)有等量的過(guò)剩電子和空穴電荷的存儲(chǔ)。突然反向時(shí)，這些存儲(chǔ)電荷不能立即去除，積累電荷消除有兩種途徑：復(fù)合和漂移。都需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間ts,p-n結(jié)才能達(dá)到反偏狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間為反向恢復(fù)時(shí)間1.存貯延遲的的定性分析（1）電荷存儲(chǔ)和反向恢復(fù)時(shí)間78（2）在0<t<ts時(shí)間內(nèi)二極管是如何保持正偏的？在0<t<ts時(shí)