二极管温度效应与电容效应.ppt

PNPN结的温度特性结的温度特性PNPN结的电容效应结的电容效应2.6节、节、2.7节节一 I-V 特性的温度依赖关系PN结中存在少子注入引起的扩散电流、空间电荷区的产生与复合电流和隧道电流。隧道电流对温度不敏感，扩散电流和产生、复合电流依赖于温度：ni 随温度增加而迅速增加，在高于室温时，不太大的正偏压下就使 Id 占优势。正偏：反偏：随温度增加，ni 增大，扩散电流 Id 也也占优势无论正偏或是反偏，无论正偏或是反偏，(2-48)式足以描述大多数二极管式足以描述大多数二极管 I-V 特性特性对温度的依赖关系：对温度的依赖关系：说明1、I0 的温度依赖关系：的温度依赖关系：主要体现在 ni 对温度的依赖关系上：反应了反偏情况下，反应了反偏情况下，I-V 特性的温度效应特性的温度效应反偏反偏-正偏正偏取取和和2、正偏时正偏时 的温度依赖关系：的温度依赖关系：？对对于于硅硅二二极极管管，Eg01.21eV，典典型型的的工工作作电电压压为为0.6V；在在室室温温(300K)时时，每每增增加加 10oC，电电流流约约增增加加l倍倍；电电压压随随温温度度线线性性地地减减小小，系系数数约约为为-2mV/oC；结结电电压压随随温温度度变变化化十十分分灵敏。可利用这一特性来精确测温和控温。灵敏。可利用这一特性来精确测温和控温。思考题：思考题：PN结温度系数的测试分析结温度系数的测试分析？硅二极管正向温度依赖关系-阈值电压减小硅二极管反向温度依赖关系-二 PN 结的势垒电容结的势垒电容PN空空间间电电荷荷区区的的电电荷荷量量随随外外加加偏偏压压而而变变化化的的现现象象，表表明明PN结结具具有有电电容容效效应应。利利用用PN结结电电容容效效应应可可制制成成变变容容二二极极管管和和集集成成电路中所需的电容。电路中所需的电容。接通电源，对电容充电，直至两个极板间的电位差等于外加电压。极板上的电荷量随外加电压的增加而增大，相应的极板间电场强度也增强。电容器上电压的变化是靠极板上电荷的改变而实现的。（1 1）基本概念）基本概念PN结上的压降也是通过空间电荷区正、负电荷发生变化来实现的。正负电荷增加、PN结压降增大；空间电荷区正负电荷减小，压降减小。可见，PN结类似于平板电容。反偏电压增加，有放电电流使得（电子和空穴流走），空间电荷区的正、负电荷增加；反偏电压减小，正负电荷减少；在耗尽层近似的情况下，正负电荷的增减是靠空间电荷区的宽度变化来实现的。当外加电压不变时，空间电荷区的空间电荷量不变，空间电荷区的电容充电和放电停止，因此，PN结电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，每秒充发电的次数越多，通过空间电荷区电容的电流就越大，空间电荷区电容作用也显著。PNPN结的电容效应发生在势垒区，称为势垒电容结的电容效应发生在势垒区，称为势垒电容！电荷变化量集中在空间电荷区两边的薄层内PN结的势垒电容和平行板电容器形式一样1、PN结电容允许直流通过，而通常的电容器能隔直流；结电容允许直流通过，而通常的电容器能隔直流；2、PN结电容是偏压的函数。（间距是变化的）结电容是偏压的函数。（间距是变化的）区别：区别：（2 2）单边突变结势垒电容）单边突变结势垒电容根据单边突变结耗尽区宽度的表达式根据单边突变结耗尽区宽度的表达式(2-23)：空间电荷层的小信号电容定义为：单边突变结势垒电容单边突变结势垒电容根据斜率可以计算施主浓度，直线外推可求出自建电压。根据斜率可以计算施主浓度，直线外推可求出自建电压。（3 3）线性缓变结势垒电容）线性缓变结势垒电容空间电荷层的小信号电容定义为：思考：思考：试描述线性缓变结势垒电容变化关系曲线试描述线性缓变结势垒电容变化关系曲线？在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，这种过程称为求杂质分布。（4 4）杂质分布求解）杂质分布求解对于一任意杂质分布：对于一任意杂质分布：电荷增量空间电荷层边缘W处的杂质浓度根据泊松方程，电场增量与电荷增量的关系：根据泊松方程，电场增量与电荷增量的关系：电场增量与偏压增量的关系：可以求出W在不同反向偏压下，描述出1/C2和V的曲线，利用曲线得到(1/C2)/V，从而可以得到N(W)。单位面积上电容变化关系三 PN 结的扩散电容结的扩散电容在扩散区中积累的电荷量随着外加电压而改变的，因此，PN结也可等效为一个电容，这个电容称为PN结的扩散电容。正偏时，在扩散区积累的非平衡载流子的电量随偏压很快增加，因此正偏时的扩散电容很大；反偏时，扩散区的少子浓度低于平衡值，载流子电量随电压变化很小，因此，反偏时的扩散电容可以忽略。正向PN结的扩散电容：空穴扩散区电容和电子扩散区电容的和空穴扩散区积累的电荷：空穴扩散区积累的电荷：电子扩散区积累的电荷：电子扩散区积累的电荷：空穴扩散区电容空穴扩散区电容电子扩散区电容电子扩散区电容总扩散电容：总扩散电容：对于对于PN+结结:对于对于P+N结结:扩散电容随正向电压加大而呈指数增加，正向电流较大时，扩散电容也较大，将起主要作用。二极管和晶体管的开关特性和高频特性都与扩散电容有关二极管和晶体管的开关特性和高频特性都与扩散电容有关例题分析例题分析考虑在 Nd=21015cm-3的衬底上通过硼的两步扩散制成PN结，硼的表面浓度为1018cm-3，结深为5m，假设自建电场为0.8V，求在5V反偏压下的结电容。解：解：因为：NBC=21015cm-3,N0=1018cm-3所以：NBC/N0=210-3cm-3又：2.910-155m结电容1F=103mF=106uF=109nF=1012pF法拉二极管应用实例二极管应用实例反向偏置PN结电容在LC调谐电路中很有用，该电路的谐振频率是由外电压控制的，专门为此制造的二极管称为变容二极管。结型二极管电容-电压方程为：反向偏压对于单边突变结：n=1/2对于线性缓变结：n=？思考：思考：两式形式相同因此，包括一个PN结电容LC电路，其谐振频率可表示为：在电路应用中，一般希望谐振频率与控制电压之间成线性关系变容二极管是利用PN结的电容随外加偏压而变化这一特性制成的非线性电容元件，被广泛地用于参量放大器，电子调谐及倍频器等微波电路中，变容二极管主要是通过结构设计及工艺等一系列途径来突出电容与电压的非线性关系，并提高Q值以适合应用。符号表示品质因数基本定义：Q=1/CjRsRs为体电阻，Cj为结电容在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。变容管不允许工作在正向电压状态，否则其结电阻很低（约几十欧），Q值很低，谐振电路不能工作，所以必须工作在反向偏压状态。普通二极管的测试普通二极管的测试二极管