半导体物理器件课件.ppt

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1、第二章第二章 PNPN结结热平衡热平衡PNPN结结加偏压的加偏压的PNPN结结理想理想PNPN结的直流电流结的直流电流-电压特性电压特性空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和产生电流隧道电流隧道电流I-VI-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系耗尽层电容耗尽层电容小信号交流分析小信号交流分析电荷贮存和反向瞬变电荷贮存和反向瞬变PNPN结击穿结击穿引言引言PNPN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由所有结型器件都由PNPN结构成。结构成。PNPN结本身也是一种器件整流器。结本身也是一种

2、器件整流器。PNPN结含有结含有丰富的物理知识，掌握丰富的物理知识，掌握PNPN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。基础。由由P P型半导体和型半导体和N N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做叫做PNPN结结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（结（junctionjunction）,有时也有时也叫做叫做接触（接触（contactcontact）。1.PN1.PN结定义：结定义：引言引言2.2.几种分类：几种分类：因此因

3、此PNPN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触或金属半导体结（属半导体接触或金属半导体结（M-SM-S结结）。）。同质结：同质结：由同种物质构成的结（如硅）；由同种物质构成的结（如硅）；异质结：异质结：由不同种物质构成的结（如硅和锗）由不同种物质构成的结（如硅和锗）；同型结：同型结：由同种导电类型的物质构成的结由同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-P-硅和硅和P-P

4、-锗、锗、N-N-硅和硅和N-N-锗）；锗）；异型结：异型结：由不同种导电类型的物质构成的结由不同种导电类型的物质构成的结 （如（如P-P-硅和硅和N-N-硅、硅、P-P-锗和锗和N N锗）；锗）；引言引言3.3.采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PNPN结的主要工艺过程结的主要工艺过程(a)抛光处理后的型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片n Si光刻胶SiO2N+（f)腐蚀SiO2后的晶片 引言引言采用硅平面工艺制备采用硅平面工艺制备PNPN结的主要工艺过程结的主要工艺过程(g)完成光刻后去胶的

5、晶片(i)蒸发/溅射金属（j）PN 结制作完成(h)通过扩散（或离子注入）形成 PN结P SiN SiSiO2N+引言引言4.4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 1)1)突变结：突变结：P P区和区和N N区杂质过渡陡峭区杂质过渡陡峭单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）Na-Nd0 x Na-Nd xj引言引言4.4.突变结与线性缓变结突变结与线性缓变结 2)2)线性缓变结：线性缓变结：在线性区：在线性区：两区之间杂质过渡是渐变的两区之间杂质过渡是渐变的 Na-Nd0 x xj-ax2.12.1热热平衡平衡P

6、NPN结结1.1.PNPN结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成（热平衡系统费米能级恒定原理）（热平衡系统费米能级恒定原理）在形成结之前在形成结之前N N型材料中费米能级靠近导带底，型材料中费米能级靠近导带底，P P型材料中费米能级靠近型材料中费米能级靠近价带顶。当价带顶。当N N型材料和型材料和P P型材料被连接在一起时，型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必费米能级在热平衡时必定恒等定恒等。p n CE FE iE VE 0yq 漂移 漂移 扩散 扩散 E ny py（a a）在接触前分开的）在接触前分开的P P型和型和N N型硅的能带图型硅的能带图 （b b）接触后的能带图）接触后的能

7、带图2.12.1热热平衡平衡PNPN结结2.2.PNPN结空间电荷区的形成结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）（热平衡系统划分）恒定费米能级的条件恒定费米能级的条件是由电子从是由电子从N N型一型一边转移至边转移至P P型一边，空穴则沿相反方向型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。电子和空穴的转移在转移实现的。电子和空穴的转移在N N型型和和P P型各边分别留下未被补偿的施主离型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的，固定子和受主离子。它们是荷电的，固定不动的，称为不动的，称为空间电荷空间电荷。空间电荷存。空间电荷存在的区域叫做在的区域叫做空间电荷区空间电荷区。（c c）与（与（

8、b b）相对应的空间电荷分布）相对应的空间电荷分布 2.12.1热热平衡平衡PNPN结结3.3.几个概念几个概念耗尽近似：耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。自由载流子密度为零。内建电势差：内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用这个电势差叫

9、做内建电势差（用 表示）。表示）。势垒区：势垒区：N N区电子进入区电子进入P P区需要克服势垒，区需要克服势垒，P P区空穴进入区空穴进入N N区区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。中性近似：中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，多子浓度等于电离杂质浓度多子浓度等于电离杂质浓度 ，因而保持电中性，因此，因而保持电中性，因此PNPN结空结空间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与间电荷区外部区域常称为中性区。中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。杂质浓度相等，不存在电场。

10、2.12.1热热平衡平衡PNPN结结4.4.空间电荷区内建电势差空间电荷区内建电势差(N(N型一边和型一边和P P型一边中性区之间的电位差）型一边中性区之间的电位差）方法一：方法一：（中性区电中性条件）由一维泊松方程：由一维泊松方程：取费米势为零基准时：取费米势为零基准时：（2-22-2）由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：由中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。得到：即：即：（2-42-4）2.12.1热热平衡平衡PNPN结结方法一：方法一：（中性区电中性条件）（2-52-5）对于对于N N型的中性区，假设型的中性区，假设 ，。即。即 ，连并，连并（2-2a2-2a）代入（）代入（

11、2-42-4）中，得）中，得N N区中性区电势为：区中性区电势为：采用同样的方法，得到采用同样的方法，得到P P型中性区的电势为：型中性区的电势为：（2-62-6）因而，在因而，在N N型一边与型一边与P P型一边中性区之间的电位差为型一边中性区之间的电位差为（2-72-7）2.12.1热热平衡平衡PNPN结结方法二：（方法二：（费米能级恒定费米能级恒定）从费米能级恒定的观点来看，热平衡从费米能级恒定的观点来看，热平衡PNPN结具有统一的费米能级。形成结具有统一的费米能级。形成PNPN结结之前之前N N区费米能级比区费米能级比P P区费米能级高。形成区费米能级高。形成PNPN结之后，费米能级恒

12、定要求结之后，费米能级恒定要求N N区区费米能级相对费米能级相对P P区费米能级下降，则原费米电势差区费米能级下降，则原费米电势差 即即PNPN结中结中N N型与型与P P型中性型中性区间电势差区间电势差 。未形成未形成PNPN结之前的结之前的N N区（区（P P区）的电子（空穴）浓度为：区）的电子（空穴）浓度为：可以得到分别的费米能级为：可以得到分别的费米能级为：再由热电势再由热电势，得：，得：方法三：（方法三：（在平衡状态下，净的空穴电流密度为零在平衡状态下，净的空穴电流密度为零）并可进一步求出内建电势为并可进一步求出内建电势为从上式可解出内建电场，从上式可解出内建电场，由于由于 ，故得：

13、，故得：2.12.1热热平衡平衡PNPN结结5.5.利用利用PoissonPoisson方程求解单边突变结方程求解单边突变结 (P(P+N)SCRN)SCR内建电场、内建内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度电势、内建电势差和耗尽层宽度N N侧侧PoissonPoisson方程方程：P P侧侧PoissonPoisson方程方程：空间电荷的电中性：空间电荷的电中性：空间电荷层宽度：空间电荷层宽度：对于单边突变结：对于单边突变结：单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布2.12.1热平衡热平衡PNPN结结对对N N侧侧PoissonPoisson方程方程边界条件：边界条件：应用应用做一次积分：

14、做一次积分：得：得：边界条件：边界条件：再次积分：再次积分：2.12.1热热平衡平衡PNPN结结很小，由电势连续性，很小，由电势连续性，内建电势差：内建电势差：扩散电势或自建电势扩散电势或自建电势热平衡下的势垒高度热平衡下的势垒高度耗尽层宽度：耗尽层宽度：思考：思考：利用利用PoissonPoisson方程求解突变结方程求解突变结SCRSCR（非单边）（非单边）内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度2.12.1热热平衡平衡PNPN结结6.6.学习要求学习要求1)1)掌握下列名词、术语和基本概念：掌握下列名词、术语和基本概念：PNPN结、突变结、线性

15、缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。区、内建电场、内建电势差、势垒。2)2)分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PNPN结空间电荷区（结空间电荷区（SCR)SCR)的形成的形成3)3)正确正确画出热平衡画出热平衡PN PN 结的能带图（图结的能带图（图2.3a2.3a、b b）。）。4)4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：5)5)解解PoissonPoisson方程求解单边

16、突变结方程求解单边突变结SCRSCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度。尽层宽度。（2-72-7）2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结1.1.加偏压的加偏压的PNPN结的能带图结的能带图1)1)热平衡时热平衡时2)2)加正向偏压时加正向偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为耗尽层宽度为耗尽层宽度为2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结加正向偏压时加正向偏压时远离远离PNPN结空间电荷区的中性区的准费米能级结空间电荷区的中性区的准费米能级 和和 。偏压。偏压 使热平使热平衡费米能级分裂，衡费米能级分裂，N N区准费米能级区准费米能级 相对相对P P区准费米

17、能级区准费米能级 上移上移 。相应地，相应地，N N区各个能级上移区各个能级上移 。势垒高度降至。势垒高度降至 。在空间电荷区由于在空间电荷区由于 ，可以认为费米能级，可以认为费米能级 和和 通过空间电荷通过空间电荷区时分别不变。区时分别不变。在空间电荷区在空间电荷区N N侧，空穴准费米能级从侧，空穴准费米能级从 逐渐升高逐渐升高,最后与准电子费米能最后与准电子费米能级级 相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为相等。这个空穴准费米能级变化的区域，称为空穴扩散区空穴扩散区。类似地，。类似地，在空间电荷区在空间电荷区P P侧侧 逐渐下降逐渐下降,最后与空穴准费米能级最后与空穴准费米能级 相等。这

18、个电子相等。这个电子准费米能级变化的区域，称为准费米能级变化的区域，称为电子扩散区电子扩散区。2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结3)3)加反偏压时加反偏压时耗尽层宽度为耗尽层宽度为N N区接正电位，在远离区接正电位，在远离PNPN结空间电荷区的中性区，结空间电荷区的中性区，及诸能级相对及诸能级相对P P区区 下移下移 。在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 和和 不变。不变。势垒高度增加至势垒高度增加至 ，增高的势垒阻挡载流子通过，增高的势垒阻挡载流子通过PNPN结扩散，通结扩散，通过过PNPN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（

19、突变结）：结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：（2-2-2323）2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结4)4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性在电子扩散区和空穴扩散区，在电子扩散区和空穴扩散区，不等于常数，根据修正欧姆定律必有电不等于常数，根据修正欧姆定律必有电流产生，由于流产生，由于 ，电流沿，电流沿x x 轴正方向，即为正向电流。又由于在轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电流密度也很大流密度也很大(，

20、)离开空间电荷区边界随着离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（e e指数减少），电流密度也指数减少），电流密度也越来越小。越来越小。反偏压反偏压 使得使得PNPN结结N N型中性区的费米能级相对于型中性区的费米能级相对于P P型中性区的降低型中性区的降低 。扩散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷扩散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽取作用，在扩散区载流子很少，区电场的抽取作用，在扩散区载流子很少，很小，因很小，因此虽然有很大的费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。此虽然有很大

21、的费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结5)5)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性 正偏压使空间电荷区内建电势差由正偏压使空间电荷区内建电势差由 下降到下降到 打破了打破了PNPN结的热平结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由压使空间电荷区内建电势差由 上升到上升到 同样打破了同样打破了PNPN结的热平衡，结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是使载流子的漂移运动占优势这种漂

22、移是N N区少子空穴向区少子空穴向P P区和区和P P区少子电子向区少子电子向N N区的漂移，因此电流是反向的且很小。区的漂移，因此电流是反向的且很小。2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结在正偏压下，外加电压降低了在正偏压下，外加电压降低了PNPN结的势垒，加强了电子从结的势垒，加强了电子从N N侧到侧到P P侧的扩散侧的扩散以及空穴从以及空穴从P P侧到侧到N N侧的扩散。侧的扩散。2.2.少数载流子的注入与输运少数载流子的注入与输运NN侧和侧和P P侧平衡电子浓度侧平衡电子浓度NN侧和侧和P P侧平衡空穴浓度侧平衡空穴浓度自建电势：自建电势：（2-2-2727）平衡时结边缘的载流子浓度

23、平衡时结边缘的载流子浓度2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结加上偏压加上偏压 ，结电势变为结电势变为 NN侧和侧和P P侧空间电荷层边缘的电子浓度侧空间电荷层边缘的电子浓度考虑低水平注入，考虑低水平注入，得：得：类推得：类推得：空间电荷层边缘空间电荷层边缘的少数载流子浓度的少数载流子浓度正向少子注入：正向少子注入：当当PNPN结加上正向偏压时，在结边缘结加上正向偏压时，在结边缘反向少子抽取：反向少子抽取：当当PNPN结加上反向偏压时，在结边缘结加上反向偏压时，在结边缘1)1)结边缘的少数载流子浓度结边缘的少数载流子浓度2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结2)2)空间电荷效应和扩散近似空

24、间电荷效应和扩散近似在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注入载流子通在注入载流子存在的区域，假设电中性条件完全得到满足。注入载流子通过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为过扩散运动在电中性区中输运。这种近似称为扩散近似扩散近似。在扩散近似下，。在扩散近似下，稳态载流子输运满足扩散方程稳态载流子输运满足扩散方程。注入注入P P+N N结的结的N N侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布2.22.2加偏压的加偏压的PNPN结结3.3.学习要求学习要求1)1)掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区掌握名词、术语和基本概念：正向注入、反向抽取

25、、扩散近似、扩散区2)2)正确画出加偏压正确画出加偏压PNPN结能带图。结能带图。3)3)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性4)4)根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性根据载流子扩散与漂移的观点分析结的单向导电性5)5)掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（掌握反偏压下突变结，耗尽层宽度公式（2-232-23）6)6)导出少数载流子浓度公式导出少数载流子浓度公式 （2-292-29）和（）和（2-302-30）2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性1.1.理想的理想的P-NP-N结的基本假设及其意义结的基本假

26、设及其意义1)1)外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。2)2)均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。3)3)空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。4)4)小注入，即小注入，即5)5)半导体非简并半导体非简并2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性2.2.载流子分布载流子分布满足边界条件满足边界条件解得解得解稳态扩散方程解稳态扩散方

27、程2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性2.2.载流子分布载流子分布对于长二极管对于长二极管 ，上式简化为，上式简化为PNPN结结P P侧的电子分布为侧的电子分布为少数载流子分布少数载流子分布2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3.电流分布电流分布对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为对于长二极管，空穴注入所引起的扩散电流为在空间电荷层边缘在空间电荷层边缘（2-2-4040），空穴电流为，空穴电流为空穴电流分布改写为空穴电流分布改写为（2-2-4242）2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3

28、.电流分布电流分布（2-2-4747）类似，电子电流分布为类似，电子电流分布为空穴电流分布为空穴电流分布为2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性3.3.电流分布电流分布公式（公式（2-422-42）和（）和（2-472-47）指出，由于少子电流沿远离）指出，由于少子电流沿远离PNPN结的方向而结的方向而e e指数指数地减小。因为总电流相对于地减小。因为总电流相对于x来说必定不变，才能满足电流连续性。所以来说必定不变，才能满足电流连续性。所以多子电流必须随着多子电流必须随着x增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，少增加而增加，以补偿空穴电流的下降。也就是说，少

29、子电流通过电子子电流通过电子空穴对的复合不断地转换为多子电流。空穴对的复合不断地转换为多子电流。电子电流和空穴电流：电子电流和空穴电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：忽略空间电荷区的复合电流和产生电流，得总电流：二极管饱和电流二极管饱和电流2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性4.4.PNPN结饱和电流的几种表达方式结饱和电流的几种表达方式(一般是反向饱和电流一般是反向饱和电流)理想理想PNPN结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。结饱和电流来源于扩散区内产生的非平衡少数载流子。（2-2-49d49d）（2-2-49c49c）二极管饱和电

30、流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成二极管饱和电流由电子扩散电流和空穴扩散电流两部分构成（2-2-49a49a）（2-2-49b49b）对于对于P P+N(NN(N+P)P)单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略单边突变结，电子电流（空穴电流）可以忽略与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。与半导体材料的禁带宽度有密切的关系。禁带宽度大，其值越小。2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性5.5.反向偏置反向偏置PNPN结的少子分布和电流分布结的少子分布和电流分布（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流反向偏压反向偏压反

31、向饱和电流反向饱和电流分别是分别是PNPN结空穴扩散区和电子扩散区结空穴扩散区和电子扩散区所发生的空穴产生电流和电子产生电流所发生的空穴产生电流和电子产生电流2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性6.6.PNPN结的典型电流结的典型电流 电压特性电压特性 PN结正向电流随外加电压结正向电流随外加电压e指数增加，反向电流则很小，这就是指数增加，反向电流则很小，这就是PN结的单向导电性。结的单向导电性。2.32.3理想理想PNPN结的直流电流电压特性结的直流电流电压特性7.7.学习要求学习要求1)1)了解理想了解理想PNPN结基本假设及其意义。结基本假设及其意义。2)

32、2)根据公式（根据公式（2-372-37）导出长）导出长PNPN结少子分布表达式。结少子分布表达式。3)3)理解公式（理解公式（2-482-48）、（）、（2-49)2-49)。4)4)根据公式（根据公式（2-49d2-49d）解释理想）解释理想PNPN结反向电流的来源。结反向电流的来源。5)5)画出正偏压下画出正偏压下PNPN结少子分布、电流分布和总电流示意图。结少子分布、电流分布和总电流示意图。6)6)理解反偏压下理解反偏压下PNPN结少子分布、电流分布和总电流示意图。结少子分布、电流分布和总电流示意图。2.42.4空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和产生电流1.1.复合电

33、流（在正偏压的时候出现）复合电流（在正偏压的时候出现）正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致正偏压使得空间电荷层边缘处的载流子浓度增加，以致 ，这些过，这些过量载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会量载流子穿越空间电荷层，使得超过平衡值，因此，在空间电荷层中会有复合。有复合。复合电流复合电流：考虑最大复合条件考虑最大复合条件外加电压外加电压 V 时，时，在势垒区中，平衡时，在势垒区中，平衡时，可见：可见：当当 V=0 时，时，np=ni2，U =0，不发生净复合；不发生净复合；当当 V 0 时，时，np ni2，U 0，发生净复合；发生净复合；当当 V 0 时，

34、时，np ni2，U VV VT T 时，把扩散电流记为时，把扩散电流记为3.3.复合电流与扩散电流的比较（复合电流与扩散电流的比较（对于对于P+NP+N结）结）上式表明，若上式表明，若 越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大；半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅半导体材料的禁带宽度愈大，势垒区复合电流愈大；硅PNPN结比锗结比锗PNPN结势垒结势垒区复合电流大；区复合电流大；PNPN结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。结轻掺杂区杂质浓度愈大，势垒区复合电流愈大。2.42.4空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和

35、产生电流4.4.产生电流（在反向偏压的时候出现）产生电流（在反向偏压的时候出现）PNPN结处于反向偏压，空间电荷区中结处于反向偏压，空间电荷区中 ，有：，有：产生率：产生率：产生电流：产生电流：由由于于空空间间电电荷荷层层的的宽宽度度随随着着反反向向偏偏压压的的增增加加而而增增加加因因而而反反向向电电流流是是不不饱饱和的，产生电流也随着反向偏压的增加而增加。和的，产生电流也随着反向偏压的增加而增加。2.42.4空间电荷区的复合电流和产生电流空间电荷区的复合电流和产生电流5.5.学习要求学习要求理解并掌握概念：正偏复合电流理解并掌握概念：正偏复合电流 反偏产生电流反偏产生电流推导公式（推导公式（

36、2-542-54）、（）、（2-572-57）、（）、（2-612-61）理解低偏压下空间电荷区的复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越理解低偏压下空间电荷区的复合电流占优，随着电压增加扩散电流越来越成为主要成分成为主要成分2.52.5隧道电流隧道电流1.1.量子力学的隧道效应量子力学的隧道效应当当PNPN结的结的P P侧和侧和N N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透势垒而产侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透势垒而产生额外的电流生额外的电流2.2.产生隧道电流的条件产生隧道电流的条件（1 1）费米能级位于导带或价带的内部；）费米能级位于导带或价带的内部；（2 2）空间电荷层的宽度

37、很窄，因而有高的隧道穿透几率；）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3 3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。空的状态。当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1 1）、（）、（2 2）条件满）条件满足。足。外加偏压可使条件（外加偏压可使条件（3 3）满足。）满足。2.52.5隧道电流隧道电流3.3.隧道效应隧道效应p(a)0K0K和没有外加偏压和没有外加偏压(b)外加正向偏压外加正向偏压(c)外加正向偏压外加正向偏压2.52.5隧道电流

38、隧道电流4.4.隧道效应隧道效应(d)外加正向偏压外加正向偏压(e)外加反向偏压外加反向偏压2.52.5隧道电流隧道电流5.5.隧道机制分析隧道机制分析简化的隧道穿透几率：简化的隧道穿透几率：势垒高度势垒高度空间电荷层宽度（势垒厚度）空间电荷层宽度（势垒厚度）代入得：代入得：（2-2-6464）则隧道电流可为则隧道电流可为：隧道电子的速度隧道电子的速度2.52.5隧道电流隧道电流5.5.隧道机制分析隧道机制分析若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流若掺杂密度稍予减少，使正向隧道电流可予忽略，电流 电压曲线则将电压曲线则将被改变成示于图被改变成示于图2-14b2-14b中的情形。这称为

39、反向二极管中的情形。这称为反向二极管2.52.5隧道电流隧道电流6.6.隧道二极管的特点和应用上的局限性隧道二极管的特点和应用上的局限性（1 1）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过）隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪声较低的噪声。（2 2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二级管的使隧道二级管的工作温度范围大工作温度范围大。（3 3）由于隧道效应的本质是量子跃

40、迁过程，电子穿越势垒极其迅速，）由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作可以在极高频率下工作。这种优越的性。这种优越的性能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，能，使隧道二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。高速逻辑电路以及低噪音微波放大器。由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二极管的利用受到限制道二极管的利用受到限制。7.7.学习要求学习要

41、求了解产生隧道电流的条件了解产生隧道电流的条件画出能带图解释隧道二极管的画出能带图解释隧道二极管的I IV V特性特性了解隧道二极管的特点和局限性了解隧道二极管的特点和局限性2.52.5隧道电流隧道电流1.1.PNPN结处于正向偏置结处于正向偏置2.6I-V2.6I-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系总电流（扩散电流）：总电流（扩散电流）：（2-2-4848）复合电流：复合电流：（2-2-5757）得：得：（2-2-6666）式中式中 随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（SiSi 0.3V0.3V）就使）就使 占

42、优势。占优势。2.2.PNPN结处于反向偏置结处于反向偏置2.6I-V2.6I-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系（2-2-6767）随着温度增加，随着温度增加，增大，也是扩散电流占优势。增大，也是扩散电流占优势。无论是在正向还是反向偏置，无论是在正向还是反向偏置，PNPN结的温度特性主要取决于二极管方程：结的温度特性主要取决于二极管方程：（2-2-4848）反向偏压情况下，二极管反向偏压情况下，二极管I IV V特性的温度效应：特性的温度效应：（2-2-49b49b）3.3.PNPN结处于反向偏置结处于反向偏置2.6I-V2.6I-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系（2-2-49b4

43、9b）相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。（2-2-6868）对对T T求导，所得的结果除以求导，所得的结果除以 ，得到，得到（2-2-6969）反映了反偏压情况下，二极管反映了反偏压情况下，二极管I IV V特性的温度效应。特性的温度效应。20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V T C 4.4.PNPN结处于正向偏置结处于正向偏置2.6I-V2.6I-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系取取（2-2-7070）导出：导出：代入（代入（2-692-69）式，得到）式，得到（2-2-7272）I，A 0.2 0.4

44、 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-5 150C 25C-55C VV 结电压随温度变化十分灵敏，常用结电压随温度变化十分灵敏，常用来精确测温和控温来精确测温和控温5.5.学习要求学习要求了解了解PNPN结结I IV V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系了解公式（了解公式（2-682-68）、（）、（2-722-72）、（）、（2-732-73）2.6I-V2.6I-V特性的温度依赖关系特性的温度依赖关系1.1.耗尽层电容耗尽层电容 已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结的两个半边内空间已经证明耗尽层宽度是偏置电压的函数，由于在结的两个半边内

45、空间电荷直接正比于耗尽层宽度，则有：电荷直接正比于耗尽层宽度，则有：2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管（2-2-7474）空间电荷层小信号电容：空间电荷层小信号电容：得：得：（2-2-7676）C C称为称为过渡电容过渡电容或或耗尽层电容耗尽层电容有时亦称为有时亦称为势垒电容势垒电容1.1.耗尽层电容耗尽层电容 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管PNPN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。常用常用 关系：关系：（2-2-7777）21C 0y RV

46、 1 1、根据该图中的直线斜率可以计算、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。出施主浓度。2 2、使直线外推至电压轴可求出自建、使直线外推至电压轴可求出自建电压。在截距处电压。在截距处2.2.求杂质分布求杂质分布 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管在杂质分布未知的在杂质分布未知的PNPN结中，可以利用电容结中，可以利用电容 电压曲线描绘出轻掺杂一边的电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此称求杂质分布。考虑任意杂质分布：杂质分布，此称求杂质分布。考虑任意杂质分布：（2-2-7878）x()xN()WN W dW 式中式中 是在空间电荷层边缘是在空间电

47、荷层边缘 处处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间是与电荷增量之间具有如下关系：具有如下关系：电场增量偏压增量的具有如下关系：电场增量偏压增量的具有如下关系：（2-2-8080）2.2.求杂质分布求杂质分布 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管由由 得：得：势垒电容势垒电容把（把（2-792-79）式至（）式至（2-812-81）式代入（）式代入（2-782-78）式并将结果重新整理得到）式并将结果重新整理得到（2-2-8282）3.3.求杂质分布的程序求杂质分布的程序 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂

48、质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管在不同反偏压下测量电容在不同反偏压下测量电容：用（用（2-812-81）式求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度：）式求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度：画出画出 相对相对 的曲线。的曲线。从此从此 曲线中取曲线中取 并将其结果代入（并将其结果代入（2-822-82）式计算出）式计算出画出完整的杂质分布画出完整的杂质分布注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。3.3.求杂质分布的程序求杂质分布

49、的程序 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果3.3.求杂质分布的程序求杂质分布的程序 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果4.4.变容二极管变容二极管 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管根据根据（2-2-7676）可见反向偏置的可见反向偏置的PNPN结可以作为电容使用在结可以作为电容使用在LCLC调谐电路中。专门为此目的调谐电路中。专门为此目

50、的制造的二极管称为变容二极管。制造的二极管称为变容二极管。结型二极管的电容结型二极管的电容 电压方程可写成电压方程可写成 ：对于单边突变结，对于单边突变结，如式（，如式（2-762-76）中所表示。）中所表示。（2-2-8383）4.4.变容二极管变容二极管 2.72.7耗尽层电容耗尽层电容 求杂质分布和变容二极管求杂质分布和变容二极管包括一个包括一个P-NP-N结电容的结电容的LCLC电路，其谐振频率可表示为电路，其谐振频率可表示为（2-2-8484）在电路应用中，总是希望在谐振频率和控制电压之间有线性关系，也在电路应用中，总是希望在谐振频率和控制电压之间有线性关系，也就是说，要求就是说，要