pn结二极管复习过程.ppt
pn结二极管第八章第八章pn结二极管结二极管8.1 pn 结二极管的结二极管的I-V特性特性8.2 pn 结的小信号模型结的小信号模型8.3 产生产生-复合流（与理想复合流（与理想I-V特性的偏离）特性的偏离）8.4 pn 结的击穿结的击穿8.5 pn结的瞬态特性结的瞬态特性8.6 隧道二极管隧道二极管2.加正偏电压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。正偏时的能带正偏时的能带/电路混合图电路混合图 3.反向偏置：反向偏置：势垒高度变高，n型一侧几乎没有电子能越过势垒进入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。反偏时的能带反偏时的能带/电路混合图电路混合图8.1.2 理想的电流理想的电流-电压关系电压关系理想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）（正半周期）少少子积累增加，子积累增加，va0,少子积累减小。随着外加电压的变化，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，少子电荷存储量的变化与电压变化被交替地充电和放电，少子电荷存储量的变化与电压变化量的比值即为扩散电容量的比值即为扩散电容Cd(c)(a)8.2.3小信号导纳-等效电路小信号导纳n等效电阻等效电阻r,等效电容等效电容C，容抗，容抗1/j cnr与与C并联，并联，n总电阻总电阻n导纳：导纳：导纳关系式的数学分析（略）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.In0,Ip0为直流静态时的电子和空穴扩散流8.4 pn结的击穿n当反向电流超过允许的最大值当反向电流超过允许的最大值时对应的时对应的反向电压的绝对值称为击穿电压反向电压的绝对值称为击穿电压VBRn形成反偏形成反偏pn结击穿的物理机制有齐纳击结击穿的物理机制有齐纳击穿和雪崩击穿穿和雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿隧穿效应：量子力学中，当隧穿效应：量子力学中，当势垒比较薄时，粒子能穿过势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件：隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于、势垒宽度小于10-6cm隧穿过程示意图反向偏置反向偏置pn结二极管中结二极管中齐纳击穿过程的示意图齐纳击穿过程的示意图齐纳击穿齐纳击穿 二极管的耗尽层宽度小于二极管的耗尽层宽度小于10-6cm，轻掺，轻掺杂一侧的杂质浓度高于杂一侧的杂质浓度高于1017cm,齐纳过齐纳过程比较显著，对应的二极管的击穿电压程比较显著，对应的二极管的击穿电压比较小，当比较小，当VBR4Eg/e,齐纳过程起主导齐纳过程起主导作用。作用。齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿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，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。大的反向电压碰撞使晶格但传递给晶格的能量少。大的反向电压碰撞使晶格原子原子“电离电离”，即引起电子从价带跃迁到导带，从，即引起电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。而产生电子空穴对。雪崩击穿示意图雪崩击穿示意图假设在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n耗尽层中任一点x处的增量电子电流可表达为：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）n使倍增因子达到无穷大的电压定义为雪崩电压，即：电离率是电场的函数击穿电压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雪崩倍增是主要击穿过程单边突变结和线性缓变结的击穿电压随掺杂浓度的变化曲线 隧穿效应隧穿效应：量子力学中，：量子力学中，势垒比较薄时，粒子能穿势垒比较薄时，粒子能穿过势垒到达另一边。过势垒到达另一边。隧穿发生的两个条件隧穿发生的两个条件：1、势垒一边有填充态，另、势垒一边有填充态，另 一边同能级有未填充态一边同能级有未填充态2、势垒宽度小于、势垒宽度小于10-6cm8.6 隧道二极管隧道二极管nn区和区和p区都为简并掺杂的区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管结称为隧道二极管 n型材料的费米能级进入导带，型材料的费米能级进入导带，p型材料的费米能型材料的费米能级进入价带级进入价带8.6隧道二极管隧道二极管热平衡时的能带图热平衡时的能带图隧道二极管势垒的三角形势近似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。(f)电流随电压增大而减小的区域，称为负微分电阻区8.6隧道二极管隧道二极管加反偏电压的隧道二极管的能带图如图所示，加反偏电压的隧道二极管的能带图如图所示，p区区价带中的电子与价带中的电子与n区导带中的空量子态直接对应，区导带中的空量子态直接对应，因此电子从因此电子从p区遂穿到区遂穿到n区，形成较大反偏电流，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。增大，反偏电流单调增大。8.5 电荷存储与二极管瞬态电荷存储与二极管瞬态 正向时有电流正向时有电流IF流过流过p-n结；然结；然后开关后开关S接到右边，加一反向接到右边，加一反向偏压，此时通过偏压，此时通过p-n结的电流结的电流并不是立即变为反向饱和电流并不是立即变为反向饱和电流I0,而是先经过一个较大的恒定而是先经过一个较大的恒定反向电流反向电流IR阶段，然后再逐渐阶段，然后再逐渐衰减到衰减到I0.8.5.1 关瞬态关瞬态np-n结的反向瞬变过程可分为结的反向瞬变过程可分为电流恒定和电流衰减两个阶段，电流恒定和电流衰减两个阶段，相应的瞬变时间分别以相应的瞬变时间分别以ts和和tr表表示。示。ts称为存储时间；称为存储时间；tr称为下称为下降时间，降时间，trr=ts+tr即为反向恢即为反向恢复时间复时间,(它是反向电流衰减到它是反向电流衰减到它的最大值的它的最大值的10%所需的时间）所需的时间）它比偏压从正向突变为反向的它比偏压从正向突变为反向的瞬变时间长的多。瞬变时间长的多。8.5.1 关瞬态关瞬态（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1.存贮延迟的的定性分析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-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（2）在）在0 t ts时间内二极管是如何保持正偏的？时间内二极管是如何保持正偏的？在在0 t ts时间段时间段p+n二极管中存贮空穴电荷随时间的衰减二极管中存贮空穴电荷随时间的衰减2.存贮延迟时间的定量分析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：因为当0tts 时，i=-IR，所以有i类似扩散流分离变量积分得结论：n 存贮时间随着存贮时间随着IF的增加而增加，随着的增加而增加，随着IR的增加而减少，并且与的增加而减少，并且与 p成正比。成正比。n例题例题 定性分析定性分析IF，IR，p等对电荷存储时间和等对电荷存储时间和反响恢复时间即对反响恢复时间即对i-t时间曲线的影响。时间曲线的影响。结论：存贮时间随着结论：存贮时间随着IF的增加而增加，随着的增加而增加，随着IR的的 增加而减少，并且与增加而减少，并且与 p成正比。成正比。制作开关二极管可通过缩短少子寿命提高开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，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这个结论可用来测量少子寿命8.5.2 瞬态开启特性瞬态开启特性用电流或电压脉冲把二极管从反偏状态切换到用电流或电压脉冲把二极管从反偏状态切换到正偏状态的瞬态开启过程：正偏状态的瞬态开启过程：i=0开始的瞬态开启开始的瞬态开启如下如下：电流脉冲电流脉冲电压电压-时间响应时间响应n在响应的第一阶段，即从在响应的第一阶段，即从t=0到到va=0的过程极的过程极其短暂，只要有少数几个少子的注入，就把结其短暂，只要有少数几个少子的注入，就把结电压提高到电压提高到0了。多数载流子也迅速再分布使了。多数载流子也迅速再分布使耗尽区缩小到零偏的宽度。耗尽区缩小到零偏的宽度。在瞬态开启期间在瞬态开启期间p+n二极管二极管内部空穴存贮电荷的积累内部空穴存贮电荷的积累结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！86
