《非平衡PN結(jié)》課件

非平衡PN結(jié)PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過特殊工藝結(jié)合而成。由于兩種半導(dǎo)體材料的載流子類型不同，在PN結(jié)處形成一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，阻止電子和空穴自由擴(kuò)散。非平衡PN結(jié)是指處于不平衡狀態(tài)的PN結(jié)，例如在外加電壓的作用下，或者受到光照、溫度變化等因素影響時(shí)，PN結(jié)的電場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子分布發(fā)生改變，形成非平衡狀態(tài)。熱平衡PN結(jié)在熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中的電子和空穴濃度分布遵循玻爾茲曼分布，且電子濃度隨勢(shì)能增加而指數(shù)衰減，空穴濃度隨勢(shì)能降低而指數(shù)衰減。由于電子和空穴濃度在PN結(jié)兩側(cè)不同，導(dǎo)致結(jié)區(qū)出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，阻礙電子和空穴的擴(kuò)散，形成一個(gè)平衡狀態(tài)。非平衡條件下的PN結(jié)PN結(jié)的平衡狀態(tài)是指在熱平衡條件下，PN結(jié)兩側(cè)的電子和空穴濃度達(dá)到平衡，沒有電流流動(dòng)。非平衡條件下，PN結(jié)兩側(cè)的電子和空穴濃度不再平衡，會(huì)產(chǎn)生電流流動(dòng)。少子濃度分布P型半導(dǎo)體在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。PN結(jié)PN結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接形成的，其界面稱為PN結(jié)。少子濃度分布規(guī)律指數(shù)衰減從PN結(jié)邊界到中性區(qū)，少子濃度呈指數(shù)衰減。衰減程度由擴(kuò)散長(zhǎng)度決定，擴(kuò)散長(zhǎng)度越大，衰減越慢。平衡條件在平衡狀態(tài)下，PN結(jié)兩側(cè)的少子濃度與多數(shù)子濃度之積保持相等。這是因?yàn)樯僮訑U(kuò)散和復(fù)合過程達(dá)到平衡，少子濃度不再隨時(shí)間變化。少子濃度梯度少子濃度梯度是指在PN結(jié)中，由于少子擴(kuò)散導(dǎo)致的少子濃度在空間上的變化。少子濃度梯度是驅(qū)動(dòng)少子擴(kuò)散電流的主要因素。少子濃度梯度越大，少子擴(kuò)散電流就越大。少子濃度梯度的大小取決于PN結(jié)的類型、摻雜濃度、溫度等因素。少子擴(kuò)散電流少子擴(kuò)散電流是由于非平衡載流子在PN結(jié)兩側(cè)的濃度梯度引起的。少子在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，形成電流。1擴(kuò)散濃度梯度驅(qū)動(dòng)少子擴(kuò)散。2電流少子擴(kuò)散形成電流。少子擴(kuò)散電流計(jì)算少子擴(kuò)散電流的大小取決于少數(shù)載流子的濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)和PN結(jié)的面積。公式Id=qDn(dn/dx)A其中Id為少子擴(kuò)散電流q為電子電荷Dn為少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)dn/dx為少數(shù)載流子的濃度梯度A為PN結(jié)的面積少子擴(kuò)散電流的計(jì)算需要考慮少數(shù)載流子的濃度分布和擴(kuò)散系數(shù)等因素。少子復(fù)合電流少子復(fù)合電流是由于注入的少子與多數(shù)子發(fā)生復(fù)合而產(chǎn)生的電流。少子在擴(kuò)散過程中，會(huì)與多數(shù)子碰撞復(fù)合，失去能量，導(dǎo)致電流減小。少子復(fù)合電流的大小與注入的少子濃度、少子壽命和復(fù)合中心濃度有關(guān)。因素影響注入的少子濃度少子濃度越高，復(fù)合電流越大。少子壽命少子壽命越長(zhǎng)，復(fù)合電流越小。復(fù)合中心濃度復(fù)合中心濃度越高，復(fù)合電流越大。少子復(fù)合電流計(jì)算少子復(fù)合電流是指少子在PN結(jié)中復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的電流。當(dāng)少子注入PN結(jié)時(shí)，它們會(huì)與多數(shù)子發(fā)生復(fù)合。復(fù)合過程會(huì)釋放能量，從而產(chǎn)生電流。少子復(fù)合電流的大小取決于少子的濃度、壽命和復(fù)合速度等因素。少子復(fù)合電流的計(jì)算公式為：Ir=qAjni2(τn/τp)1/2(1-exp(-Va/VT))其中：Ir為少子復(fù)合電流q為電子電荷Aj為PN結(jié)面積ni為本征載流子濃度τn為電子壽命τp為空穴壽命Va為PN結(jié)上的外加電壓VT為熱電壓正向偏壓下的PN結(jié)正向偏壓是指在PN結(jié)兩端施加的電壓，使得P型區(qū)電位比N型區(qū)電位高。當(dāng)PN結(jié)處于正向偏壓時(shí)，空穴從P型區(qū)向N型區(qū)移動(dòng)，電子從N型區(qū)向P型區(qū)移動(dòng)。由于空穴和電子在PN結(jié)處發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致PN結(jié)中的勢(shì)壘降低，從而使得電流更容易通過PN結(jié)。正向偏壓下電流電壓特性正向偏壓下，PN結(jié)的電流會(huì)隨著電壓的增加而迅速增加。這主要是因?yàn)檎蚱珘嚎梢允苟鄶?shù)載流子更容易越過勢(shì)壘，從而導(dǎo)致電流的增大。電流電壓特性曲線呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，隨著電壓的增加，電流會(huì)迅速增加。這與二極管的正向?qū)ㄌ匦悦芮邢嚓P(guān)。0.7V導(dǎo)通電壓PN結(jié)開始導(dǎo)通的電壓mA電流正向偏壓下，電流呈指數(shù)增長(zhǎng)V電壓隨著電壓增加，電流迅速增加反向偏壓下的PN結(jié)當(dāng)PN結(jié)兩端施加反向電壓時(shí)，PN結(jié)中的電場(chǎng)會(huì)阻止少子從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)，以及從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)。導(dǎo)致少子電流減小，而多數(shù)子電流幾乎不變，最終導(dǎo)致PN結(jié)電流很小，接近于0。反向偏壓下電流電壓特性反向偏壓下，PN結(jié)中的少數(shù)載流子漂移電流增大，而多數(shù)載流子擴(kuò)散電流減小，使得PN結(jié)電流很小且?guī)缀鯙槌?shù)。電流電壓特性曲線顯示，隨著反向電壓增加，電流輕微增加，但始終保持在微安級(jí)，并最終趨于飽和，反映出PN結(jié)的良好單向?qū)щ娞匦?。擊穿電壓?dāng)PN結(jié)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，PN結(jié)中的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇增加，導(dǎo)致少子數(shù)激增。電子和空穴在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，發(fā)生碰撞電離，形成大量的自由電子和空穴，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿。PN結(jié)擊穿電壓是指導(dǎo)致PN結(jié)擊穿時(shí)的反向電壓值。10伏硅PN結(jié)擊穿電壓3伏鍺PN結(jié)擊穿電壓擊穿電壓計(jì)算擊穿電壓是PN結(jié)的重要參數(shù)，它表示PN結(jié)在反向偏壓下，電流突然急劇上升時(shí)的電壓值。擊穿電壓與PN結(jié)的材料、摻雜濃度、結(jié)面積等因素有關(guān)。擊穿電壓可以通過以下公式計(jì)算：Vb=(2εs(Vbi+Vr))/(q*Nd*Na)其中，Vb為擊穿電壓，εs為半導(dǎo)體的介電常數(shù)，Vbi為PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)，Vr為反向偏壓，q為電子電荷量，Nd為P型區(qū)的摻雜濃度，Na為N型區(qū)的摻雜濃度。PN結(jié)的電容特性擴(kuò)散電容PN結(jié)中的擴(kuò)散電容，其電容大小會(huì)隨著反向偏壓的增大而減小。耗盡層電容PN結(jié)中的耗盡層電容，其電容大小會(huì)隨著反向偏壓的增大而減小。擴(kuò)散電容計(jì)算擴(kuò)散電容與PN結(jié)中少數(shù)載流子的積累和耗盡程度有關(guān)，它反映了PN結(jié)在動(dòng)態(tài)變化時(shí)對(duì)電荷存儲(chǔ)的能力。在正向偏壓下，由于少數(shù)載流子的積累，擴(kuò)散電容增大；而在反向偏壓下，由于少數(shù)載流子的耗盡，擴(kuò)散電容減小。擴(kuò)散電容的計(jì)算公式為：Cd=(q*Dn*An)/(Vt*τn)其中：Cd為擴(kuò)散電容，單位為法拉（F）q為電子電荷，值為1.602*10^-19庫(kù)侖Dn為少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)，單位為平方厘米每秒An為PN結(jié)的面積，單位為平方厘米Vt為熱電壓，值為kT/q，約為26毫伏τn為少數(shù)載流子的壽命，單位為秒耗盡層電容計(jì)算耗盡層電容是指PN結(jié)的耗盡層兩側(cè)空間電荷層之間的電容，它與PN結(jié)的面積和耗盡層寬度有關(guān)。計(jì)算公式C=εA/W其中：C為耗盡層電容ε為PN結(jié)的介電常數(shù)A為PN結(jié)的面積W為耗盡層寬度PN結(jié)的時(shí)間特性1響應(yīng)時(shí)間PN結(jié)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，取決于少子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度。2恢復(fù)時(shí)間PN結(jié)從導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)所需的時(shí)間，與少子壽命相關(guān)。3過渡時(shí)間PN結(jié)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)所需的時(shí)間，受少子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度影響。少子壽命對(duì)特性的影響少子壽命是指少子在半導(dǎo)體材料中從產(chǎn)生到復(fù)合的時(shí)間。少子壽命越長(zhǎng)，少子擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，擴(kuò)散電流越大，PN結(jié)的電流也越大。少子擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)特性的影響少子擴(kuò)散長(zhǎng)度(L)表示少子在半導(dǎo)體材料中平均擴(kuò)散的距離，它直接影響著PN結(jié)的特性。L值越大，少子擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，意味著少子有更多機(jī)會(huì)到達(dá)PN結(jié)的另一側(cè)，導(dǎo)致擴(kuò)散電流增大，器件的響應(yīng)速度變慢。L擴(kuò)散長(zhǎng)度影響PN結(jié)響應(yīng)速度短短響應(yīng)速度快長(zhǎng)長(zhǎng)響應(yīng)速度慢外加偏壓對(duì)特性的影響正向偏壓增加少子注入提高電流反向偏壓減小少子注入降低電流PN結(jié)的應(yīng)用PN結(jié)在電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用，構(gòu)成各種電子器件。這些器件在現(xiàn)代電子設(shè)備中扮演著重要角色。二極管單向?qū)щ姸O管只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，阻擋反向電流。整流作用利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕梢詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電。限壓作用二極管可以限制電路中的電壓，防止過電壓損壞電路。開關(guān)作用二極管可以作為電子開關(guān)，控制電流的通斷。晶體管11.結(jié)構(gòu)晶體管由三個(gè)PN結(jié)組成，分別為發(fā)射結(jié)、基極結(jié)和集電結(jié)。22.工作原理通過控制基極電流，調(diào)節(jié)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)之間的電流，實(shí)現(xiàn)放大或開關(guān)作用。33.類型晶體管主要分為NPN型和PNP型，根據(jù)摻雜類型和電流方向不同。44.應(yīng)用晶體管廣泛應(yīng)用于電子電路，如放大器、開關(guān)、振蕩器、功率調(diào)節(jié)器等。光電器件太陽(yáng)能電池利用光能直接轉(zhuǎn)換成電能，應(yīng)用于光伏發(fā)電、太陽(yáng)能充電器等。光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，應(yīng)用于光電探測(cè)器、光纖通信等。發(fā)光二極管將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，應(yīng)用于顯示屏、照明等。光電倍增管用于檢測(cè)微弱光信號(hào)，應(yīng)用于天文觀測(cè)、核物理實(shí)驗(yàn)等。功率器件高電流功率器件能夠處理大電流，用于控制和轉(zhuǎn)換電力。高電壓功率器件可以承受高電壓，適用于高壓電路應(yīng)用。高功率功率器件可以處理高功率，用于高功率轉(zhuǎn)換和控制。微波器件高頻特性PN結(jié)具有高速響應(yīng)能力，適合用于高頻微波電路。小型化PN結(jié)器件尺寸較小，易