PN结与二极管原理.ppt

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1、P-N 结结P-N junction第一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.1 平衡平衡PN结结2.1.1 PN结的制造工艺和杂质分布2.1.2 平衡PN结的空间电荷区和能带图能带图2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布2.2 PN结的直流特性结的直流特性2.2.1 PN结的正向特性正向特性2.2.2 PN结的反向特性反向特性2.2.3 PN结的伏安特性2.2.4 影响PN结伏安特性的因素2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度2.3.1 突变结空间电荷区的电场和宽度2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度2.4 PN结的击穿特性结的击穿特性2.4.1 击穿机理2.4.

2、2 雪崩击穿雪崩击穿电压2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素2.5 PN结的电容效应结的电容效应2.5.1 PN结的势垒电容势垒电容2.5.2 PN结的扩散电容扩散电容2.6 PN结的开关特性结的开关特性2.6.1 PN结的开关作用2.6.2 PN结的反向恢复时间反向恢复时间2.6.3 提高PN结开关速度的途径2.7 金属金属 半导体的整流接触和欧姆接触半导体的整流接触和欧姆接触2.7.1 金属半导体接触的表面势垒表面势垒2.7.2 金属半导体接触的整流效应与肖特基二极管2.7.3 欧姆接触欧姆接触第二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.1 平衡平衡 PN 结结 在P型半导体型半导体与N型半

3、导体型半导体的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能特殊电学性能过渡区域； 平衡PN结就是指没有外加电压电压、光照光照和辐射辐射等 的PN结。 结面基体衬底（外延层）第三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.1.1 PN结的杂质分布状态结的杂质分布状态合金法 扩散法(主流) 离子注入法 突变结突变结 缓变结 1016/cm31019/cm3结深与突变结相似 第四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.1.2 平衡平衡PN结的空间电荷区和能带图结的空间电荷区和能带图空穴为少子电子为多子空穴为多子电子为少子接触前接触前 相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓度差，各区中的多多子子发生扩散

4、，并复合复合、消耗消耗；1、空间电荷区的形成、空间电荷区的形成空穴电子P区(a)N区(b)PN耗尽层空间电荷区扩散运动方向自建场第五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。交界区域就形成了空间电荷区空间电荷区（也叫空间电荷层空间电荷层、耗尽层耗尽层） 空间电荷区中，形成一个自建电场自建电场 电子空穴PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻第六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。以带负电的电子为例： 漂移运动 电场力 少子扩散运动 浓度差 多子动态平衡动态平衡两个相反的运动大小相等、方向相反；思考思考：自建电场对各区中的少子发生什么影响？电子空穴由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。？第七页，编辑于星

5、期六：十三点 二十三分。2、能带状态图、能带状态图没有外加电压，费米能级应处处相等；即 ：两个区的费米能级拉平 。 各自独立时接触时 电场 电场方向是电势降落的方向； 定义电势能： eqUqE 平衡后第八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。能带图是按电子能量的高低画 P区电子的电势能比N区的高 PN结接触电势差 在空间电荷区内，能带发生弯曲，电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这个势能势能“高坡高坡” PN结势垒 势能坡垒 空间电荷区 UeE第九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。3、PN结结 接触电势差接触电势差 For n-type regionFor n-type regio

6、n0expexpcFnFniciDEEEEnNnNkTkTFor p-type regionFor p-type region0expexpFpviFpviAEEEEpNnNkTkTlnDFniiNEEKTnlnAiFpiNEEKTn第十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。即有即有 2lnDADikTN NUqn式中ND、NA分别代表N区和P区的净杂质浓度净杂质浓度； UD和PN结两侧的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度（体现在材料的本征载流子浓度 ni 上）有关。在一定温度下，N区和P区的净杂质浓度越大，即N区和P区的电阻率越低，接触电势差UD越大；禁带宽度越大，ni 越小， UD也越大。DUD

7、U室温下，硅的= 0.70 V，锗的= 0.32 V NA=1017/cm3ND=1015/cm3第十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.1.3 平衡平衡PN结及两侧的载流子浓度分布结及两侧的载流子浓度分布空间电荷区 少子 少子 多子 多子 扩散区分布按指数规律变化 耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽； n:电子 p:空穴 Depletion layer空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;自建电场第十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.2 PN结的非平衡双向直流特性结的非平衡双向直流特性PN结非平衡状态在PN结上施加偏置(Bias)电压 ；PN结的P区接电源正极区接电源正

8、极为正向偏置(称正偏 forward biased)，否则 为反向偏置(称反偏 reverse biased)，并假设： P型区和N型区宽度远大于少子扩散长度； P型区和N型区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外没有电场； 空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，空间电荷区不存在载流子的产生与复合； 不考虑表面的影响，且载流子在PN结中做一维运动； 假设为小注入，即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。 Low-level injection第十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.2.1 PN结的正向偏置特性结的正向偏置特性 1、正偏能带变化图、正偏能带变化图 E非平衡 平衡时 外加

9、电场 势垒宽度变窄 电场被削弱 势垒高度降低 正偏使势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡动态平衡，载流子的扩散作用超超过过漂移作用，所以有净扩散电流流过PN结，构成PN结的正向电流正向电流。 EEE/E第十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、外加多子正向注入效应、外加多子正向注入效应 非平衡不同区的少子浓度分布少子浓度分布 比较：平衡PN结 注入之后都成为所在区域的非平衡少子。它们主要以扩散方式运动，即在边界附近积累形成浓度梯度，并向体内扩散，同时进行复合复合，最终形成一个稳态分布。 e e扩散长度 电子 空穴 p两边的多子易通过势垒区电阻很小空穴电子第十五页，编辑于星期六：十三点 二十

10、三分。3、正向扩散区边界少子浓度和分布、正向扩散区边界少子浓度和分布空穴扩散区 电子扩散区 平衡被破坏，在扩散区和势垒区，电子和空穴没有统一的费米能级，这时只能用准费米能级准费米能级表示 。 势垒区 0eqUkTPPn Xn0eqUkTNNp Xp两边界的少子分布 非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律指数规律衰减 。准费米能级边界第十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。4、正向电流转换和传输、正向电流转换和传输 e比较：平衡PN结 漂移 扩散 复合 扩散区中的少子扩散电流都通过复合转换为多子漂移电流。PN结内任意截面的电流是连续的。 Forward-active regime正向注入第十

11、七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。5、PN结的正向电流结的正向电流-电压关系电压关系 ()()()NNPNnPpNIXXXXIXIX处的电子漂移电流处的空穴扩散电流 = 处的电子扩散电流处的空穴扩散电流 =PN结内各处的电流是连续的，则通过PN结的任意截面电流都一样。因此只要求出空间电荷区的交界面 处的电子电流和空穴电流，就是总的PN结电流：NXN区非平衡少子-空穴的分布函数为：( )(0)epxLp xp 空穴扩散电流密度为：( )( )(0)epxpLpppqDp xjxqDpdxL 第十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。(0)()(0)pppNpqDjjXpL 其中，负号表示载流

12、子从浓度高的地方向浓度低的地方扩散即载流子的浓度随 增加而减小，在 处（ 的边界处）空穴电流密度为：0 x NXx:pNIX则0()(0)(1)ppNPNpqUpKTNpppDIXAjXqA pLDAqpeLDL =其中：空穴扩散系数 空穴扩散长度第十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。同理，把注入P区边界 的非平衡电子的浓度 ，乘以电子的扩散速度 、电量 和PN结的截面积 ,便可以得到在 处注入 区的电子扩散电流 ：qPX0(1)qUKTpne0(1)qUnKTnPpnnnDIXAqneLDL 其中：电子扩散系数 电子扩散长度nnDLAPXppNIX()nPpNIXIXPN将和相加，得到结

13、的总电流：00(1)qUpnNpKTnpn DpDIAqeLL第二十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。000pnNpnpn DpDAqILL若假设0(1)qUKTIIe2200000pnNppininpPnNpApDNOnnnPPPn DpDDnDnAqAqLLPLnLNPNnLDLD因为且，220piniAnDpLnLnIAqNN因此，nppN其中： 区非平衡电子寿命 区非平衡空穴寿命第二十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。正向电流正向电流-电压关系电压关系 220piniAnDpLnLnIAqNN0(e1)qUkTIII0 是不随外加正偏压而变化的。 在常温（300 K）下，可近似为

14、0eqUkTII即: 正向电流随外加正偏压的增加按指数规律快速增大按指数规律快速增大 重要特性 0eegqUkTqUEkTpnCVpDnAIIqDqDANNL NL N第二十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.2.2 PN结的反向特性结的反向特性 1、反向抽取作用、反向抽取作用反向PN结空间电荷区具有“抽取抽取”少子的作用；电场加强 宽度变宽 平衡 非平衡 e e扩散 扩散 电场反向抽取 势垒加高E/E注入少子 多子 比较：平衡PN结 多子被阻挡无大电流少子做贡献微电流作用电阻很大第二十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、反向边界少子浓度和分布、反向边界少子浓度和分布 20()eq

15、UkTNNp Xp0()eqUkTPPn Xn平衡PN结 由于反向抽取，边界处少子浓度低于平衡值 。 电场加强扩散长度少子少子平衡值反向偏置时，漂移大于扩散少子平衡值少子边界边界边界边界负指数变化第二十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。PN 0() 0() 0qUKTNPKTUqKTUeqP Xn X由 于 反 向 结 外 加 反 向 偏 压 的 数 值 一 般 比大 很 多 ， 即 有， 因 此 ， 所 以 边 界 处 的 少 子 浓 度 为 ： 第二十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。反向电流的转换和传输反向电流的转换和传输 本质 e空穴电流空穴电流 电子电流 漂移 扫过 扩散 反

16、向电流实质上是在结附近所产生的少子构成的电流。一般情况下，少子浓度都很小，因而反向电流也很小。 Reverse regime少子少子边界电子电流 空穴电流空穴电流 多子被阻挡边界IR2第二十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。反向饱和电流反向饱和电流 0I0(e1)TU URII 反向电压U 和流过PN结的反向电流 IR 之间的关系为 为反向饱和电流反向饱和电流， TUkT q随着反向电压U的增大，IR 将趋于一个恒定值 -I0 因 少子浓度与本征载流子浓度成正比，并且随温度升高而快速增大。所以，反向扩散电流对温度十分敏感，随温度升高而快速增大。在300 K时，UT26 mV 这时 PN结处

17、于截止截止状态, 呈现的电阻称为反向电阻, 其阻值阻值很大很大, 高达几百千欧以上。令第二十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.2.3 PN结的正、反向结的正、反向V-A特性特性 将PN结的正向特性和反向特性组合起来 正向电流很小 导通电压导通电压UTH（称门槛电压）正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压正常工作区的边界；急剧增大 室温时，锗PN结的导通电压约为0.25 V，硅PN结为0.5 V。 Eg /q 反向饱和电流 图有问题！第二十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。单向导电性单向导电性 正向电压正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增加很大 ，成指数规律指数规律增加，

18、电流随着电压的增加快速增大； 反向电压反向截止 ；反向抽取使边界少数载流子浓度减少，很快趋向于零，电压增加时电流趋于“饱和饱和” ； IUR正向电阻小 反向电阻大 leakage正向导通，多数载流子扩散电流；反向截止，少数载流子漂移电流；第二十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.2.4 影响影响PN结伏安特性的因素结伏安特性的因素( (简述简述) )V-A特性的偏离原因 引起与实验结果偏离的主要原因有： 1. 正向PN结空间电荷区复合电流；2. 反向PN结空间电荷区的产生电流；3PN结表面复合和产生电流； 4. 串联电阻的影响；5. 大注入的影响； 大注入(High-level inje

19、ction)注入的非平衡少子浓度 大于平衡时多子的浓度；6. 温度的影响； 空间电荷的影响分压压降的影响小注入条件被破坏少子的影响增强(本征激发)第三十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。1. 正向PN结空间电荷区复合电流；正偏时，由于空间电荷区内有非平衡载流子的注入，载流子浓度高于平衡值;浓度相差很大复合影响不显著浓度相差很大复合影响不显著电子和空穴浓度基本相等复合影响显著复合地点不同 通过空间电荷区复合中心的复合相对较强 第三十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2. 反向PN结空间电荷区的产生电流；反偏时，由于空间电荷区对载流子的抽取作用，空间电荷区内载流子浓度低于平衡值，故产生率大于

20、复合率; 产生出来的电子空穴对 产生电流是反向扩散电流之外的一个附加的反向电流; 空间电荷区宽度随着反向偏压的增大而展宽，电荷区的数目增多，产生电流是随反向偏压增大而增大。 第三十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。3PN结表面复合和产生电流； PN结的空间电荷区被延展、扩大； 表面空间电荷区的宽度随反向偏压的增加而加大，跟PN结本身的空间电荷区宽度的变化大体相似。 (1) 表面电荷引起表面空间电荷区表面电荷引起表面空间电荷区 表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和表面空间电荷区的复合中心将引起附加的正向复合电流和反响的产生电流，表面空间电荷越大，引起的附加的电流反响的产生电流，

21、表面空间电荷越大，引起的附加的电流也就越大。也就越大。第三十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。界面态的复合和产生作用，也同样由于表面空间电荷区界面态的复合和产生作用，也同样由于表面空间电荷区而得到加强，它们对而得到加强，它们对PN结也将引进附加的复合和产生电结也将引进附加的复合和产生电流。流。 (2) 硅硅 二氧化硅交界面的界面态二氧化硅交界面的界面态 第三十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。表面沟道电流表面沟道电流 表面漏导电流表面漏导电流 衬底 正电荷较多 形成N型反型层 PN结面积增大，因而反向电流增大。 表面玷污 引起表面漏电 也将产生反向电流增加 ?反偏第三十五页，编辑于星期

22、六：十三点 二十三分。4. 串联电阻的影响串联电阻的影响PN结的串联电阻（包括体电阻和欧姆接触电阻）RS RS结上电压降 jSUUIR衬底 当电流足够大时，外加电压的增加主要降落在串联电阻上，电流电压特性近似线性关系。 解决办法减小体电阻 0(e1)jTU UII第三十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。5. 大注入的影响大注入的影响PN+E正向大电流; 注入P区的非平衡少子电子将产生积累; 维持电中性必然要求多子空穴也有相同的积累; 多子空穴存在浓度梯度，使空穴产生扩散，一旦空穴离开，P区的电中性被打破，在P区必然建立起一个电场E，阻止空穴的扩散以维持电中性，该电场为大注入自建电场大注入自

23、建电场。该电场的方向是阻止空穴扩散，但有助于加速电子的扩散。 修正的正向电流：2(2)eqUnikTnAqDnILP第三十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。相比小注入，相比小注入， 大注入的特点大注入的特点1、大注入时，空穴的电流密度与、大注入时，空穴的电流密度与P区杂质的浓度区杂质的浓度 无关无关 原因：电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的原因：电中性的条件导致空穴的浓度等于少子电子的浓度，出现了空穴的积累。浓度，出现了空穴的积累。2、大注入时，少子电子的扩散系数增加一倍、大注入时，少子电子的扩散系数增加一倍 原因：原因： P区产生自建电场，使少子电子扩散的同时，产区产生自建电场，使

24、少子电子扩散的同时，产生漂移生漂移3、小注入时，电流为、小注入时，电流为 ；大注入时，电流为；大注入时，电流为 原因：电流增大后，电压不完全降落在空间电荷区域，原因：电流增大后，电压不完全降落在空间电荷区域，有一部分降落在有一部分降落在P区区AN/qU KTIe/2qUKTIe第三十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。6. 温度的影响温度的影响随温度变化的程度，起决定作用的要算 ni I02in3egEkTT随着温度的升高，PN结正、反向电流都会迅速增大。 在室温附近，锗PN结，温度每增加 10，I0 增加一倍； 温度每增加 1，正向导通电压下降 2mV； 硅PN结，温度每增加 6， I0

25、增加一倍; 温度每增加 1，正向导通电压下降 1mV 。 第三十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.3 PN结空间电荷区的电场和宽度结空间电荷区的电场和宽度 采用“耗尽层”近似: 电子空穴 空间电荷区不存在自由载流子，只存在电离施主电离施主和电离受主电离受主的固定电荷； 空间电荷区边界是突变的，边界以外的中性区电离施主和受主的固定电荷突然下降为零。 第四十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.3.1 突变结空间电荷区的突变结空间电荷区的电场电场和宽度和宽度NAPDXNXN平衡时空间电荷区的宽度: Xm = XP + XN 宽度与它们的杂质浓度成反比; 非对称空间电荷区净施主浓度 净受主

26、浓度 结PN第四十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。电场强度（等于通过单位横截面积的电力线数目）在空间电荷区内各处是不相同的; 平衡时最大场强为 0APMSqN XE 半导体的电容率 空间电荷区交界面 边界 边界 交界面上真空中每库仑电荷发出的电力线数目为：01第四十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。000()()()( )(1)(0)PAPAsAPMPsPxpxXN q Xx AxN q XPx AxN q Xx AxE xExXX 若设交界面处，则在 区侧从 到的体积中，负电荷的总量为：，那么在 处的电力线数目为： 那么 处的电场为： 在P区第四十三页，编辑于星期六：十三点 二十三

27、分。00()()()( )(1)(0)NDNDNsDNMPsNXxN q Xx AxN q Xx AxN q Xx AxE xExXX 对于N区侧，在空间电荷区到 的体积中，总的正电荷的总量为：，那么在 处的电力线数目为： 那么 处的电场为： 在N区第四十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。突变结电场分布 场强最大 场强为零 场强为零 直线的斜率正比于掺杂浓度ss第四十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。单边突变结若P区和N区的掺杂浓度相差很大；如PN+结，N区掺杂浓度远远大于P区;空间电荷区主要在P区一侧;电场分布+mNPPXXXX宽度主要由低掺杂区N0决定。低掺杂P区12002()SD

28、mUUXN q 对于PN+结，N0=NA对于P+N结，N0=NDN0平衡时非平衡时XN第四十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.3.1 突变结空间电荷区的电场和突变结空间电荷区的电场和宽度宽度以 单边突变结突变结为例子，空间电荷的宽度为：Xm = XP + XN = XP +PNTUdxEUN区与P区的电位差： 数值等于曲线下的三角形面积面积02011221212TMMMPAPMSAPSXXUE XE XqNXqN =第四十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。12002()SDmUUXN q “+”对应于加反向偏压“ ”对应于加正向偏压 非平衡时平衡时12002()SDmUUXN q

29、TDUUTDUUU第四十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。突变结空间电荷区 UT = UDU 12002()SDmUUXN q Rewrite外加偏压0ADADN NNNN第四十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.3.2 缓变结空间电荷区的电场和宽度缓变结空间电荷区的电场和宽度 用扩散法制造的PN结称为缓变结主流工艺 PN结结面衬底氧化层扩散深度第五十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。原材料均匀浓度 结面 结深 表面 外加反向电压较小可近似看做线性缓变结线性缓变结 反向偏压较大可看做单边突变结单边突变结 晶体管一般结深较浅、表面浓度较高单边突变结 Xj 约10-4cm外加反偏电压的

30、有效作用第五十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。1 1、线性缓变结的电场、线性缓变结的电场XP + XN = Xm /2与半边突变结不同的是，正负空间电荷的宽度相等，有( )( )( )( )( )jDAjxxdxdQAqN x dxAqa xdxN xNxNxN xax当坐标从 变为时，空间电荷的电荷总量为： 式中， ( )( )jososxxdxqa xdxdQ xdE xA 当坐标从 变为时，电场的增量为： = 第五十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。对空间电荷区积分，电场强度为：对空间电荷区积分，电场强度为：2222( )( )()2( )028( )28jjososmjmos

31、jjmososqaqaxE xdE x dxxdxcxxE xqa Xcx qaqa XE x 当时，可得： 第五十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。表面浓度很低、结深很深的扩散结，可看做线性缓变结； 线性缓变结的空间电荷区和电场分布 XNXP12mX208jmMSqa XE ( )jN xax杂质浓度梯度，是一常数 电场分布呈抛物线 1130312()SmDjXUUqa 对称结线性缓变结非线性外加电压NDNA问：问：如何计算？ 是何意义？第五十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2 2、线性缓变结的电位和空间电荷区域的宽度、线性缓变结的电位和空间电荷区域的宽度2223( )( )()2

32、8680( )00jjmososjjmososx qaqa XU xE x dxdxqaqa XxcxU xc 当时，得333()()2224812jmjmmmDososjmosqa Xqa XXXUUUUqa X 第五十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。1130312()SmDjXUUqa 第五十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.4 PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 正向 反向 反向饱和电流 反向电流骤然变大 UB 发生击穿时的反向偏压称为PN结的击穿电压 略有增长 0BRIURPN结导通 击穿机理目前提出了三种 反向击穿死区击穿并不意味着PN结 烧坏烧坏 !UB手册上给出的

33、最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半第五十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。雪崩击穿雪崩击穿(Avalanche Breakdown)高能击穿，可逆强电场大动能碰撞产生如此继续下去，同雪崩现象一样 ；锗、硅晶体管的击穿绝大多数是雪崩击穿雪崩击穿。 硅PN结，击穿电压大于6 V的是雪崩击穿； 常见：半导体的掺杂浓度低掺杂浓度低；第五十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。隧道击穿隧道击穿(Zener breakdown)（齐纳击穿（齐纳击穿或场致击穿）场致击穿） 量子贯穿，可逆势垒区水平距离d 变窄，发生量子隧道效应； 硅PN结，击穿电压小于4 V的是隧道击穿； 当PN结两边掺入高浓度

34、掺入高浓度的杂质时, 其耗尽层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为几伏), 在PN结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电流急剧增加, 出现击穿现象。隧道贯穿变窄强电场产生原因：第五十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。热电击穿热电击穿高热击穿，不可逆反向电流大热损耗 结温上升 PN结烧毁 禁带宽度小的半导体材料所制成的PN 结（如锗PN结），其反向电流大，容易发生热击穿； PN结正常使用的温度要小于允许的最高结温:硅管150200oC锗管75100oCQ = I 2 R t问：问：为什么高热会使空间电荷区失效？（焦

35、耳热）第六十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.4.2 雪崩击穿电压的估算雪崩击穿电压的估算 1、击穿条件的描述、击穿条件的描述 有效电离率有效电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离单位距离时，碰撞电离产生的电子空穴对数。 锗PN结 硅PN结 3476.25 10effE3678.45 10effE有效电离率主要集中在电场强度最大处附近； 一个载流子通过势垒区时，由碰撞电离所产生的电子空穴对数为 0dmXeffx势垒区第六十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。击穿条件为击穿条件为 0d1mXeffx由实验得，倍增因子M 随外加偏压U的变化规律为 11nBMUU数值 n 根据半导体

36、材料低掺杂浓度一侧的导电类型而定。雪崩倍增因子雪崩倍增因子电流倍增的程度 。0011dmXeffIMIx雪崩击穿不仅与电场强度有关，还与空间电荷区宽度有关。 M 反向饱和电流 反向电流U, M一般 n = 7第六十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、单边突变结的雪崩击穿电压、单边突变结的雪崩击穿电压070d1 E d1mmXeffXixcx击穿的条件： 即有 （1）击穿的临界电场强度）击穿的临界电场强度+000PN ()( )()APAmsssAN q XxN qE xXxdxdEqN 对于结 第六十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。1/80(0)()08mAmmosmAmBosix

37、xXqNEEXE XqNEc 当在边界和处 的边界条件为： 临界雪崩击穿电压为： 第六十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。（2）雪崩击穿的电压）雪崩击穿的电压01201200PN2()2()ASmPDAAAMmDSNNXXUUqNqNqNEXUU 对于（=），有 最大电场强度为： 第六十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。201/83/41/43/4028182DDSBmBAAmBosiSBiUUUEqNqNEcUNqc 在外界反向电压比大得多，可以忽略不计： 把代入得 第六十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。单边突变结雪崩击穿电压 3 23 4016601.110gBENU低掺杂浓

38、度雪崩击穿电压第六十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。3、线性缓变结的雪崩击穿电压、线性缓变结的雪崩击穿电压 07720222d1 E2 E d1( )2822mmXeffe ffiXijjmososjmMosxxxccxqa xqa XE xqaXE 和单边突变结一样，线性缓变结的雪崩击穿电压为： 做变换，并将代入上式得 2又知 且 第六十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。1130323001/23/2012()3()22329SmDjjSMDsjDSBmBjXUUqaqaEUUqaUUEqa 而线性缓变结的宽度表达式子为： 得 外加电压就是击穿电压，略去后得到 第六十九页，编辑于星

39、期六：十三点 二十三分。21152011522010.636246.293jmBjSSBjiqaEcUqac 如单边突变结类似，线性缓变结的宽度表达式子为： 所以得 第七十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。最大场强2022jmMSqXE 6 52 520601.13 10gjBEU第七十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素影响雪崩击穿电压的因素杂质浓度杂质浓度 如果衬底杂质浓度N0高，就容易被击穿。场强不同 击穿电压的因素：杂质的浓度杂质的浓度，外延层厚度外延层厚度、扩散结结扩散结结深深和表面状态表面状态。1、杂质浓度对击穿电压的影响、杂质浓度对击穿电压的

40、影响第七十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系、雪崩击穿电压与半导体外延层厚度的关系外延层（低掺杂区）厚度外延层（低掺杂区）厚度 W击穿电压由N型区的电阻率决定 外延层较宽W外延层:同型材质的低掺杂区；反向偏压增大势垒区扩展结面第七十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。场强随着反向偏压升高而增大 较低的反向偏压下就会击穿 外延层较薄外延层较薄势垒区扩展：穿通效应；难以进入重掺杂区；边界增加的反向偏压结面第七十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。条件：相同的偏压，条件：相同的偏压，N区的掺杂浓度相同但厚度不同。区的掺杂浓度相同但厚度不同。jmBXX为

41、防止外延层穿通，外延层的厚度必须大于结深和之和( )E x( )E x( )E xmBWXmBWXBECxxFA第七十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。3、扩散结结深对击穿电压的影响、扩散结结深对击穿电压的影响 纵向扩散横向扩散第七十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。先发生击穿 由于碰撞电离率随电场强度的增加而快速增大，因此他们的由于碰撞电离率随电场强度的增加而快速增大，因此他们的击穿电压为：击穿电压为：()()()BBBUUU球柱平面第七十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。为减小结深对击穿电压的影响，可采取的措施：为减小结深对击穿电压的影响，可采取的措施：1、深结扩散：增加曲率半

42、径，减弱电场集中现象，提高 雪崩击穿电压；2、磨角法：将电场集中的柱面结和球面结磨去，形成台 型的PN结；3、采用分压环第七十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。4、表面状态对击穿电压的影响、表面状态对击穿电压的影响 势垒宽度变薄，击穿电压下降 沟道漏电 反型层带正电的二氧化硅的正电荷会使：+NNP N第七十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.5 PN结的电容效应结的电容效应空间电荷区的电荷量随着外加偏压而变化 PN结具有电容效应电容效应 电子空穴Depletion capacitance结具有两种电容： 势垒电容势垒电容和扩散电容扩散电容。 第八十页，编辑于星期六：十三点 二十三分。

43、2.5.1 PN结的势垒电容结的势垒电容 外加反向偏压减小结上压降下降 空间电荷区宽度的减小 空间电荷量减少 反向偏压增加结上压降增大 空间电荷区宽度增大空间电荷区电荷量增加 PN结电容只在外加电压变化时才起作用交流影响外加电压频率越高，电容的作用也越显著高频影响 PN结势垒电容势垒电容(Barrier capacitance)电容效应发生在势垒区势垒区。+- -+- -充电放电1、PN结的势垒电容势垒电容第八十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。PN结势垒电容与平行板电容器很相似，但有区别。 0STmACX 半导体介质的电容率 结面积 PN结电容通直流，空间电荷区宽度可变化， 势垒电容是偏

44、压U的函数；通常的电容器隔直流，极板间的距离d是一个常数， 电容量C与电压U无关；注意区别： A随外加电压变化而变化只要有一定面积，并电荷发生变化，就会产生电容效应电容效应；0SACd 第八十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、单边突变结势垒电容、单边突变结势垒电容 12002()STDqNCAUU 正向偏压会使势垒电容增大，反向电压会使势垒电容减小。 UT = UDU 0SACd 比较什么含义？反向电压：+外加电压电位差第八十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。3、线性缓变结势垒电容、线性缓变结势垒电容 01113032203120/012()12()2()SmDjjSTDSTDST

45、mXUUqaa qAACAUUqNCAUUCX 已知：因此： 而单边突变结 第八十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。上面的公式均在耗尽层下推倒的，当PN结反偏电压较高时，耗尽层近似是合理的，然而反向偏压较低，特别是施加正向偏压时，空间电荷区有大量的载流子通过，PN结的势垒电容将产生较大的误差，必须进行修正：1/20/10)2 ()1lnSDTADADDqNCANNKTNUUqN (不对称突变结：不对称突变结：对称突变结：对称突变结：1/20/10)2 ()2/SADTADDADqNNCANNUUKT q NN (1第八十五页，编辑于星期六：十三点 二十三分。线性缓变结线性缓变结122301

46、2()jSTga qCAUU 032ln38jSgikT qkTUqqn 其中：其中：第八十六页，编辑于星期六：十三点 二十三分。4、实际扩散结势垒电容、实际扩散结势垒电容 扩散结势垒电容的计算十分复杂，通常采用查表法查表法求得。教材图2.58是在耗尽层近似下，用电子计算机计算的结果绘出的图表曲线，适用于余误差分布和高斯分布。 考虑PN结的势垒电容之后，在交流情况下，PN结可以看成一个交流电导交流电导（或动态电阻）和一个势垒电容相并联的等效电路等效电路。 第八十七页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.5.2 PN结的扩散电容结的扩散电容(Diffusion capacitance)e e扩散

47、长度 电子 空穴 pPN结的扩散电容扩散区中积累电荷量（非平衡少子 ）也随着外加电压而改变； 200()eqUkTDDPDNNpPnAqCCCpLn LkT扩散电容随正向电压加大呈指数增加，所以和正向电流成正比。 正向扩散电容空穴扩散区电容电子扩散区电容电子空穴020(e1)eqUkTPNpqUPkTDPNpQAqpLdQAqCpLdUkT空穴扩散区积累的电荷： 020(e1)eqUkTNPnqUNkTDNPnQAqn LdQAqCn LdUkT电子扩散区积累的电荷： 第八十八页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.6 PN结的二极管开关特性结的二极管开关特性(Diode switching

48、behavior)国家标准(GB)对半导体器件型号的命名：二极管符号：旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)2 二极管A 锗材料 N 型B 锗材料 P 型C 硅材料 N 型D 硅材料 P 型P 普通管W 稳压管(zenerdiode)Z 整流管K 开关管U 光电管2CP 2AP 2CZ 2CW例如：发光二极管光电二极管稳压二极管(后面是厂家编号)第八十九页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.6.1 PN结的开关作用结的开关作用 正向电阻很小 反向电阻很大 略掉正电阻 看成无穷大 正向反向开关作用 反向饱和 死区1、二极管的开关作用、二极管的开关作用第九十页，编辑于星期六：十三点

49、 二十三分。二极管半波整流斩波，但同相第九十一页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2、静态开关特性、静态开关特性 静态处于相对静止的稳定状态； 正向正向导通时会有一个正向压降正向压降：UD = 0.7 V PN结自身有点阻抗；UD正向压降 ID死 区IUR Forward voltage drop第九十二页，编辑于星期六：十三点 二十三分。温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。UD1UD2第九十三页，编辑于星期六：十三点 二十三分。0 0.4 0.8 1.

50、2U / V48I / mAA1020BC二极管特性死区电压I / A(a)50100150UBEDRUIRUI硅二极管2CP-6二极管在反向截止时仍流过一定的反向漏电流 I0 。 硅PN结的反向漏电流很小，只有纳安（nA）数量级，数值越小越好。锗PN结(A)级。PN结的整流特性单向导电性单向导电性，关键在于耗尽层的存在；截止时, 一般认为二极管断开, 反向电阻为无穷大。PN结的单向导电性只有在外加电压时才表现出来;第九十四页，编辑于星期六：十三点 二十三分。2.6.2 PN结的开关态反向恢复时间结的开关态反向恢复时间开关过程只考虑关闭过程 从关态转变到开态所需开启时间很短， 从开态转变到关态