半导体器件之pn结器件.pptx

upn结二极管结二极管lpn结静态特性回顾结静态特性回顾l理想理想pn结正偏电流结正偏电流-电压特性电压特性lpn结的小信号模型结的小信号模型l空间电荷区中的产生与复合电流（非理想特性）空间电荷区中的产生与复合电流（非理想特性）lpn结二极管的击穿特性结二极管的击穿特性lpn结二极管的开关特性结二极管的开关特性m同质同质pn结性质回顾结性质回顾同一均匀半导体同一均匀半导体冶金结冶金结空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场耗尽区耗尽区零偏零偏pn结结mpn结的零偏、反偏和正偏结的零偏、反偏和正偏m零偏状态下零偏状态下内建电势差形成的势垒维持着内建电势差形成的势垒维持着p区和区和n区内载流子的区内载流子的平衡平衡内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡内建电场造成的漂移电流和扩散电流相平衡mpn 结两端加结两端加正向偏压正向偏压Va后，后，Va基本上全降落在基本上全降落在耗尽区耗尽区的的势垒上；势垒上；由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性由于耗尽区中载流子浓度很小，与中性P区和区和N区的体电阻相比耗区的体电阻相比耗尽区电阻很大。尽区电阻很大。m 势垒高度由平衡时的势垒高度由平衡时的eVbi降低到了降低到了e(Vbi-Va)；正向偏置电压正向偏置电压Va在势垒区中产生的电场与自建电场在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反方向相反，势垒区中的，势垒区中的电场强度电场强度减弱减弱，并相应的使空间电荷数量减少，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄势垒区宽度变窄。q产生了产生了净扩散流净扩散流；电子：电子：N区区 P区区空穴：空穴：P区区 N区区m热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破平衡被打破：势垒高：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了运动小于扩散运动，产生了净扩散流净扩散流。q在空间电荷区的两侧产生了在空间电荷区的两侧产生了过剩载流子过剩载流子；m通过势垒区进入通过势垒区进入P区的电子和进入区的电子和进入N区的空穴分别在界面（区的空穴分别在界面（-xp和和xn）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为）处积累，从而产生了过剩载流子。这称为正向注入正向注入，由于注入，由于注入的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为的载流子对它进入的区域来说都是少子，所以又称为少子注入少子注入。对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为对于注入的少子浓度远小于进入区多子浓度的情况称为小注入小注入。m边界上注入的过剩载流子，不断向体内边界上注入的过剩载流子，不断向体内扩散扩散，经过大约几个扩散，经过大约几个扩散长度后，又恢复到了平衡值。长度后，又恢复到了平衡值。q理想理想PN结电流电压特性方程的四个基本假设条件：结电流电压特性方程的四个基本假设条件：mPN结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区结为突变结，可以采用理想的耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；以外为中性区；m载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似；载流子分布满足麦克斯韦玻尔兹曼近似；m满足小注入的条件；满足小注入的条件；m通过通过PN结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空结的总电流是一个恒定的常数；电子电流和空穴电流在穴电流在PN结中各处是一个连续函数；电子电流和空结中各处是一个连续函数；电子电流和空穴电流在穴电流在PN结耗尽区中各处保持为恒定常数。结耗尽区中各处保持为恒定常数。m推导理想推导理想PN结电流电压特性方程时所用到的各结电流电压特性方程时所用到的各种物理量符号如表所示种物理量符号如表所示q边界条件边界条件m加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场加正向偏压后，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱减弱势垒降低势垒降低空间电荷区缩短空间电荷区缩短内建电场减弱内建电场减弱扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流空间电荷区边界处少空间电荷区边界处少数载流子浓度注入数载流子浓度注入采取小注入假设，多子浓度采取小注入假设，多子浓度nn0基本保持不变，基本保持不变，nn=nn0偏置状态下偏置状态下p区空间电区空间电荷区边界处的非平衡荷区边界处的非平衡少数载流子浓度少数载流子浓度注入水平和偏注入水平和偏置电压有关置电压有关P区少子电子的浓度比热平衡时值大很多注入到注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步）型区中的电子（空穴）会进一步扩散扩散和和复合复合，因此公式给出的实际上是耗尽区，因此公式给出的实际上是耗尽区边界边界处的处的非平衡少非平衡少数载流子浓度数载流子浓度。上述边界条件虽然是根据上述边界条件虽然是根据pn结结正偏正偏条件导出的，但是条件导出的，但是对于反偏情况也是对于反偏情况也是适用适用的。因而当反偏电压足够高时，从的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度少数载流子浓度基本为零。基本为零。正偏正偏pn结耗尽区边结耗尽区边界处少数载流子浓界处少数载流子浓度的变化情况度的变化情况反偏反偏pn结耗尽区边结耗尽区边界处少数载流子浓界处少数载流子浓度的变化情况度的变化情况例例8.1q少数载流子分布少数载流子分布m假设：中性区内电场为假设：中性区内电场为0m无产生无产生m稳态稳态pn结结m长长pn结结作业题作业题6.11，例例8.4=小注入小注入n型半导体型半导体N区内过剩区内过剩少子电子的双极运输方程少子电子的双极运输方程小注入电子的寿命小注入电子的寿命双极扩散系数双极扩散系数双极迁移率双极迁移率过剩载流过剩载流子产生率子产生率过剩载流过剩载流子复合率子复合率边边界界条条件件双极输运方程可以简化为：双极输运方程可以简化为：长长pn结结双极输运方程的通解为：双极输运方程的通解为：从边界条件可以确定系数从边界条件可以确定系数A=D=0A=D=0，同时，在，同时，在x xn n、x x-p-p处的边界条件处的边界条件可以得出：可以得出：由此，我们可以得出由此，我们可以得出PN结处于正偏和反偏条件时，耗尽结处于正偏和反偏条件时，耗尽区边界处的少数载流子分布区边界处的少数载流子分布正偏正偏反偏反偏q理想理想pn结电流结电流mpn结电流为空穴电流和电子电流之和结电流为空穴电流和电子电流之和m空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值因此耗尽区靠近因此耗尽区靠近N N型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：在在pnpn结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：结均匀掺杂的条件下，上式可以表示为：利用前边求得的少子分布公式，利用前边求得的少子分布公式，可以得到耗尽区靠近可以得到耗尽区靠近N N型区一型区一侧边界处空穴的扩散电流密度为：侧边界处空穴的扩散电流密度为：在在pnpn结正偏条件下，空穴电流密度是沿着结正偏条件下，空穴电流密度是沿着x x轴正向的，即从轴正向的，即从p p型区流向型区流向N N型区。类似地，我们可以计算出型区。类似地，我们可以计算出耗尽区靠近耗尽区靠近P P型区型区一侧边界处电子的扩散电流密度为：一侧边界处电子的扩散电流密度为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：利用前面求得的少子分布公式，上式也可以简化为：在在pnpn结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着结正偏条件下，上述电子电流密度也是沿着x x轴正方向的。轴正方向的。若假设电子电流和空穴电流在通过若假设电子电流和空穴电流在通过pnpn结耗尽区时保持不变，结耗尽区时保持不变，则流过则流过pnpn结的总电流为：结的总电流为：上式即为理想上式即为理想pnpn结的电流结的电流-电压特性方程，我们可以进一步定义电压特性方程，我们可以进一步定义J Js s为：为：则理想则理想pnpn结的电流结的电流-电压特性可简化为：电压特性可简化为：尽管理想尽管理想pnpn结电流结电流-电压方程是根据正偏电压方程是根据正偏pnpn结推导出来的，但结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为饱和为J Js s当当PNPN结正偏电压远大于结正偏电压远大于V Vt t时，上述电流电压特性方程中的时，上述电流电压特性方程中的1 1项就可以忽略不计。项就可以忽略不计。PNPN结二极管的结二极管的I IV V特性及其电路符特性及其电路符号如下图所示。号如下图所示。q物理意义总结：物理意义总结：PN结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：结耗尽区两侧少子的扩散电流分别为：可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过PNPN结的总电流不结的总电流不变，变，二者之差就是多子的漂移电流二者之差就是多子的漂移电流。以。以N N型区中的电子电流型区中的电子电流为例，它不仅提供向为例，它不仅提供向P P型区中扩散的少子电子电流，而且还型区中扩散的少子电子电流，而且还提供与提供与P P型区中注入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子型区中注入过来的过剩少子空穴电流相复合的电子电流。因此在流过电流。因此在流过PNPN结的正向电流中，电子电流与空穴电结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。流的相互转换情况如下页图所示。例例8.4在流过在流过PNPN结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相结的正向电流中，电子电流与空穴电流的相互转换情况如下页图所示。互转换情况如下页图所示。pn结的正偏电流实结的正偏电流实际上是复合电流际上是复合电流m正偏电流图像正偏电流图像m当电流由当电流由P区进入时，几乎区进入时，几乎全部为全部为空穴空穴的的漂移电流漂移电流；空穴在外电场作用下向电空穴在外电场作用下向电源源负极负极漂移；漂移；由于少子浓度远小于多子由于少子浓度远小于多子浓度可以认为这个电流完浓度可以认为这个电流完全由多子空穴携带。全由多子空穴携带。m空穴沿空穴沿x方向进入方向进入电子扩散电子扩散区区以后，一部分与以后，一部分与N区注入区注入进来的电子不断地复合，进来的电子不断地复合，其携带的电流其携带的电流转化转化为电子为电子扩散电流；扩散电流；m另一部分未被复合的空穴继沿另一部分未被复合的空穴继沿x方方向向漂移漂移，到达，到达-xp的空穴电流，通过的空穴电流，通过势垒区；势垒区；m 若忽略势垒区中的载流子产生若忽略势垒区中的载流子产生-复复合，则可看成它合，则可看成它全部全部到达了到达了xn处，然处，然后以后以扩散扩散运动继续向前，在运动继续向前，在N区中的区中的空穴扩散区内形成空穴扩散区内形成空穴扩散流空穴扩散流；m 在扩散过程中，空穴还与在扩散过程中，空穴还与N区漂移过来的电子不断地复合，使区漂移过来的电子不断地复合，使空空穴扩散电流穴扩散电流不断地转化为不断地转化为电子漂移电流电子漂移电流；m直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。直到空穴扩散区以外，空穴扩散电流全部转化为电子漂移电流。忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出忽略了少子漂移电流后，电子电流便构成了流出N区的正向电流。区的正向电流。空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内空穴电流与电子电流之间的相互转化，都是通过在扩散区内的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。的复合实现的，因而正向电流实质上是一个复合电流。m反偏电流图像反偏电流图像pn在反向偏置下，在反向偏置下，P区的多子区的多子空穴空穴受外电场的作受外电场的作用向用向P区的区的负电极负电极漂移，同时增漂移，同时增强的空间电荷区电场也不断地强的空间电荷区电场也不断地把把N区的少子空穴拉过来；区的少子空穴拉过来；N区的区的电子电子受外电场作用向受外电场作用向N区区的欧姆接触的欧姆接触正电极正电极漂移，同时漂移，同时空间电荷区自建电场亦不断地空间电荷区自建电场亦不断地把把P区的少子电子拉过来；区的少子电子拉过来；N区边界区边界xn处的空穴被势垒区的处的空穴被势垒区的强电场驱向强电场驱向P区，而区，而P区边界区边界-xp处的电子被驱向处的电子被驱向N区，当这些少区，当这些少数载流子被电场驱走后，数载流子被电场驱走后，内部内部的少子就来补充的少子就来补充，形成反偏下，形成反偏下的空穴扩散电流和电子扩散电的空穴扩散电流和电子扩散电流。这种情况好象少数载流子流。这种情况好象少数载流子不断地被抽向对方，所以称为不断地被抽向对方，所以称为少数载流子的少数载流子的抽取抽取。q温度效应：温度效应：理想理想PNPN结二极管的反向饱和电流密度结二极管的反向饱和电流密度J JS S是热平衡条件下少子浓是热平衡条件下少子浓度度n np0p0和和p pn0n0的函数：的函数：而而n np0p0和和p pn0n0都与都与n ni i2 2成正比，由此可见反向饱和电流密度成正比，由此可见反向饱和电流密度J JS S是温是温度的敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖关系，则有：度的敏感函数，忽略扩散系数与温度的依赖关系，则有：可见，在室温下，只要温度升高可见，在室温下，只要温度升高1010C C，反向饱和电流密度增大，反向饱和电流密度增大的倍数将为：的倍数将为：例例8.5温度效应对温度效应对PNPN结二极管正、反向结二极管正、反向I IV V特性的影响如下图所示。特性的影响如下图所示。可见，温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面可见，温度升高，一方面二极管反向饱和电流增大，另一方面二极管的正向导通电压下降。二极管的正向导通电压下降。q短二极管短二极管在前面的分析中，我们假设理想在前面的分析中，我们假设理想PNPN结二极管结二极管N N型区和型区和P P型区的长型区的长度远大于少子的扩散长度。实际度远大于少子的扩散长度。实际PNPN结中往往有一侧的长度小于结中往往有一侧的长度小于扩散长度，如下图所示，扩散长度，如下图所示，N N型区的长度型区的长度W Wn nLLp p，此时，此时N N型区中过剩型区中过剩少子空穴的稳态输运方程为：少子空穴的稳态输运方程为：其在其在x=xx=xn n处的边界条件仍然为：处的边界条件仍然为：而另一个边界条件则需要做适当的修正，通常我们假设在而另一个边界条件则需要做适当的修正，通常我们假设在x=xx=xn n+W+Wn n处为欧姆接触，即表面复合速度为处为欧姆接触，即表面复合速度为无穷大无穷大，因此过剩载，因此过剩载流子浓度为零。由此得到另一个边界条件为：流子浓度为零。由此得到另一个边界条件为：对于上述关于对于上述关于N N型区中过剩少子空穴的稳态输运方程型区中过剩少子空穴的稳态输运方程来说，其解的形式仍然为：来说，其解的形式仍然为：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：对于对于W Wn nLLp p的条件，我们还可以对上式做进一步的简化，因为此的条件，我们还可以对上式做进一步的简化，因为此时有：时有：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：再利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程最终的解为：由上式可见此时短由上式可见此时短N N型区中过剩少子空穴的浓度呈线性分布。型区中过剩少子空穴的浓度呈线性分布。N N型区中少子空穴的扩散电流密度为型区中少子空穴的扩散电流密度为因此因此在短在短N N型区中，少子空穴的扩散电流密度为：型区中，少子空穴的扩散电流密度为：由此可见，在短由此可见，在短N N型区中，少子空穴的扩散电流密度保持不变，型区中，少子空穴的扩散电流密度保持不变，即在短即在短N N型区中少子空穴的复合作用基本上可以忽略不计。型区中少子空穴的复合作用基本上可以忽略不计。对于三种可能的对于三种可能的N N型区长度，下表总结了三种情况下的型区长度，下表总结了三种情况下的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的空穴电流密度表达式，与此类似，对于不同的P P型区长型区长度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。度，同样可以给出三种情况下的电子电流密度表达式。q小节小节m势垒高度和载流子浓度的对应关系势垒高度和载流子浓度的对应关系偏压对空间电荷区偏压对空间电荷区边界处注入的非平衡载流子浓度的调制边界处注入的非平衡载流子浓度的调制理想理想pn结电结电流流-电压关系电压关系m正偏状态的正偏状态的pn结，正偏电流的大小随正偏电压的增加结，正偏电流的大小随正偏电压的增加而指数增加。反偏时趋于饱和而指数增加。反偏时趋于饱和m随着温度的升高，反偏饱和电流增大，相同正向电流随着温度的升高，反偏饱和电流增大，相同正向电流下的偏压降低下的偏压降低m利用温度特性可以制成对温度敏感的二极管，作为温利用温度特性可以制成对温度敏感的二极管，作为温度探测器件。但同时二极管的温度特性要求二极管要度探测器件。但同时二极管的温度特性要求二极管要正确应用，避免形成温度正反馈导致烧毁正确应用，避免形成温度正反馈导致烧毁m当当pn结二极管的中性区长度远小于扩散长度时为短二结二极管的中性区长度远小于扩散长度时为短二极管，扩散区缩短，扩散区内的复合作用可以忽略。极管，扩散区缩短，扩散区内的复合作用可以忽略。双极晶体管中的双极晶体管中的EB结通常就是一个短结通常就是一个短pn结结8.2 PN8.2 PN结的小信号模型结的小信号模型以上讨论的是以上讨论的是PNPN结二极管的直流特性，在实际应用中更关心的是结二极管的直流特性，在实际应用中更关心的是PNPN结二极管的小信号等效电路模型。结二极管的小信号等效电路模型。在直流电压上叠加一个小的在直流电压上叠加一个小的低频的正弦电压，当正弦电低频的正弦电压，当正弦电压与电流无限小时，小信号压与电流无限小时，小信号增量电导为：增量电导为：q扩散电阻：扩散电阻：二极管的电流可表示为：二极管的电流可表示为：其倒数定义为二极管在静态工作点附近的微分电阻，即：其倒数定义为二极管在静态工作点附近的微分电阻，即：如果二极管外加的正向偏置电压足够大，则电流方程中的如果二极管外加的正向偏置电压足够大，则电流方程中的(1)1)项可以忽略，因此其微分电导为：项可以忽略，因此其微分电导为：相应地其小信号的微分电阻为：相应地其小信号的微分电阻为：上述小信号微分电阻也称为二极管的上述小信号微分电阻也称为二极管的扩散电阻扩散电阻。我们已经介绍过了我们已经介绍过了PNPN结电容随着反向偏置电压的变化，当结电容随着反向偏置电压的变化，当PNPN处处于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效应。如图所示，一于正偏状态时，同样也会表现出一种电容效应。如图所示，一个个PNPN结正偏在直流电压结正偏在直流电压V Vdcdc上，同时又叠加了一个正弦交流电压，上，同时又叠加了一个正弦交流电压，因此总的正向偏置电压可以表示为：因此总的正向偏置电压可以表示为：可见偏置电压可见偏置电压V Va a随时随时间而变化，因此注入间而变化，因此注入的少子浓度也将随着的少子浓度也将随着时间而不断地发生变时间而不断地发生变化。化。q扩散电容：扩散电容：以空穴由以空穴由P P型区注入型区注入N N型区为例，在型区为例，在t t0 0、t t1 1、t t2 2三个时刻，三个时刻，N N型区一侧空间电荷区边界处少子空穴的浓度分别如下图所示。型区一侧空间电荷区边界处少子空穴的浓度分别如下图所示。由图中可见，空间电荷区边界处少子空穴的浓度也在直流稳态由图中可见，空间电荷区边界处少子空穴的浓度也在直流稳态的基础上叠加了一个随时间变化的交流分量。的基础上叠加了一个随时间变化的交流分量。如前所述，空穴从耗尽区边界处开始将不断地向如前所述，空穴从耗尽区边界处开始将不断地向N N型区中型区中扩散，并在扩散，并在N N型区中与多子电子相复合，型区中与多子电子相复合，假设交流电压信号的假设交流电压信号的周期远大于过剩载流子往周期远大于过剩载流子往N N型区中扩散所需的时间型区中扩散所需的时间，因此空穴，因此空穴浓度在浓度在N N型区中随空间位置的分布可以近似为一种稳态分布，型区中随空间位置的分布可以近似为一种稳态分布，如下图所示。如下图所示。上页图中阴影区的面积则代表由于交流信号的周期性变上页图中阴影区的面积则代表由于交流信号的周期性变化而引起的充放电电荷。化而引起的充放电电荷。对于电子由对于电子由N N型区注入到型区注入到P P型区中之后，型区中之后，过剩少子电子在过剩少子电子在P P型区中的分布也表现出完全类似的情形。这种型区中的分布也表现出完全类似的情形。这种空穴分布在空穴分布在N N型区中的起伏（充放电）过程以及电子分布在型区中的起伏（充放电）过程以及电子分布在P P型型区中的起伏（充放电）过程将导致电容效应，该电容称为区中的起伏（充放电）过程将导致电容效应，该电容称为PNPN结结的扩散电容的扩散电容，它与之前讨论过的反偏，它与之前讨论过的反偏PNPN结耗尽区电容的物理机结耗尽区电容的物理机理完全不同，另外，理完全不同，另外，正偏正偏PNPN结的扩散电容通常要远远大于结的扩散电容通常要远远大于PNPN结结的势垒电容。的势垒电容。q小信号导纳小信号导纳:利用双极输运方程，我们可以求得利用双极输运方程，我们可以求得PN结二极管的小信结二极管的小信号导纳为：号导纳为：上式中上式中I Ip0p0和和I In0n0分别是二极管中空穴电流和电子电流分量，分别是二极管中空穴电流和电子电流分量，p0p0和和n0n0分别是分别是N N型区中过剩少子空穴和型区中过剩少子空穴和P P型区中过剩少子电子的寿命，型区中过剩少子电子的寿命，上式还可进一步改写为：上式还可进一步改写为：称为称为PNPN结二极管的扩散电导，结二极管的扩散电导，I IDQDQ为二极管的直流偏置电流。而为二极管的直流偏置电流。而C Cd d则称为则称为PNPN结二极管的扩散电容，即：结二极管的扩散电容，即：在正偏电流比较大的条件下，在正偏电流比较大的条件下，PNPN结二极管的扩散电容往往起主结二极管的扩散电容往往起主要作用，而扩散电阻则通常比较小。要作用，而扩散电阻则通常比较小。PNPN结二极管的小信号等效电路模型可以根据其正偏条件下的小结二极管的小信号等效电路模型可以根据其正偏条件下的小信号导纳公式得到：信号导纳公式得到：由上式得出的等效电路如下图所示由上式得出的等效电路如下图所示:在此基础上，我们还需加上在此基础上，我们还需加上耗尽层电容耗尽层电容的影响，该电容是与的影响，该电容是与扩散电容和扩散电阻相并联的。另外，我们还必须考虑扩散电容和扩散电阻相并联的。另外，我们还必须考虑PNPN结两结两侧中性侧中性N N型区和中性型区和中性P P型区型区寄生串联电阻寄生串联电阻的影响。的影响。q小信号等效电路模型小信号等效电路模型扩散电阻扩散电阻扩散电容扩散电容设设PNPN结二极管两端外加电压为结二极管两端外加电压为V Vappapp，真正降落在，真正降落在PNPN结耗尽区两侧结耗尽区两侧的电压为的电压为V Va a，则有，则有一个实际一个实际PNPN结二极管在正偏状态下的结二极管在正偏状态下的I IV V特性特性寄生串联电阻在寄生串联电阻在小电流小电流情况情况下基本上可以忽略不计，但下基本上可以忽略不计，但是是当外加正向偏置电压比较当外加正向偏置电压比较大使得正偏大使得正偏PNPN结电流也比较结电流也比较大时，寄生串联电阻的影响大时，寄生串联电阻的影响就变得十分明显了，这样就就变得十分明显了，这样就使得使得PNPN结二极管的特性与正结二极管的特性与正常的指数关系有很大偏离。常的指数关系有很大偏离。8.5 8.5 产生复合电流产生复合电流在前面推导理想在前面推导理想PNPN结结I IV V特性的过程中，我们完全忽略了载流子特性的过程中，我们完全忽略了载流子在在PNPN结空间电荷区中可能发生的产生复合现象。在实际结空间电荷区中可能发生的产生复合现象。在实际PNPN结空结空间电荷区中，载流子的产生复合现象由间电荷区中，载流子的产生复合现象由SRHSRH复合理论给出，即：复合理论给出，即：其中其中n n和和p p分别是电子和空穴的浓度。分别是电子和空穴的浓度。1.1.反偏反偏PNPN结中的产生电流：结中的产生电流：当当PNPN结处于反偏状态时，空间电荷区中可动载流子基本上处于结处于反偏状态时，空间电荷区中可动载流子基本上处于耗尽状态，即耗尽状态，即np0np0，因此上述复合率公式变为：，因此上述复合率公式变为：复合率复合率 上式中的负号意味着在反向偏置的上式中的负号意味着在反向偏置的PNPN结耗尽区中实际上存结耗尽区中实际上存在着电子空穴对的净产生。在着电子空穴对的净产生。我们知道，过剩电子和过剩空穴的我们知道，过剩电子和过剩空穴的复合过程实际上是一个恢复到热平衡状态的过程，而反偏复合过程实际上是一个恢复到热平衡状态的过程，而反偏PNPN结耗结耗尽区中电子和空穴的浓度基本为零，因此其中电子空穴对的净尽区中电子和空穴的浓度基本为零，因此其中电子空穴对的净产生实际上也是一个恢复到热平衡状态的过程。这个产生过程如产生实际上也是一个恢复到热平衡状态的过程。这个产生过程如下页图所示。下页图所示。当电子空穴对产生出来之后，立即当电子空穴对产生出来之后，立即就会被耗尽区中的电场拉向两侧，形成就会被耗尽区中的电场拉向两侧，形成PNPN结中的反偏产生电流，结中的反偏产生电流，这个反偏产生电流将构成这个反偏产生电流将构成PNPN结反向饱和电流的一部分结反向饱和电流的一部分(理想反向理想反向饱和电流仅仅是扩散电流饱和电流仅仅是扩散电流)。反偏反偏PNPN结耗尽区中电子空穴对的净产生过程结耗尽区中电子空穴对的净产生过程 从图中从图中可见，在反偏可见，在反偏PNPN结耗尽区中产生结耗尽区中产生的电子空穴对的电子空穴对将被电场拉向两将被电场拉向两侧，形成侧，形成PNPN结反结反向产生电流。向产生电流。我们可以按照下式来计算反偏我们可以按照下式来计算反偏PNPN结中的产生电流密度，假结中的产生电流密度，假设复合中心能级位于禁带中心附近，则有：设复合中心能级位于禁带中心附近，则有：上式中负号意味着实际反偏上式中负号意味着实际反偏PNPN结耗尽区中存在着净的产生率，结耗尽区中存在着净的产生率，因此产生电流密度为：因此产生电流密度为：上式中积分对整个空间电荷区进行，如果产生率在整个空间电荷上式中积分对整个空间电荷区进行，如果产生率在整个空间电荷区中保持为常数的话，则有：区中保持为常数的话，则有：总的总的PNPN结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏结反向偏置电流密度为理想的反向饱和电流密度与反偏产生电流密度之和，产生电流密度之和，即：即：上式中，理想的反向饱和电流密度与上式中，理想的反向饱和电流密度与PNPN结反偏电压关系不大，结反偏电压关系不大，而反偏而反偏产生电流密度产生电流密度则与耗尽区的宽度则与耗尽区的宽度W W有关，这是与反偏电压有关，这是与反偏电压有关的，有关的，因此实际因此实际PNPN结总的反偏电流密度则是与反偏电压有关结总的反偏电流密度则是与反偏电压有关的。的。在反偏在反偏PNPN结的耗尽区中，电子和空穴的浓度基本结的耗尽区中，电子和空穴的浓度基本为零，而在正偏为零，而在正偏PNPN结中，电子和空穴要通过空间电荷结中，电子和空穴要通过空间电荷区实现少子注入，因此在空间电荷区中会存在一定的区实现少子注入，因此在空间电荷区中会存在一定的过剩电子和过剩空穴，这些过剩电子和过剩空穴之间过剩电子和过剩空穴，这些过剩电子和过剩空穴之间就会发生复合，形成耗尽区复合电流。按照电子和空就会发生复合，形成耗尽区复合电流。按照电子和空穴的复合率公式：穴的复合率公式：q正偏正偏PNPN结中的复合电流：结中的复合电流：例例8.78.7将上式分子和分母同时除以将上式分子和分母同时除以C Cn nC Cp pN Nt t，并利用过剩载流子寿命，并利用过剩载流子寿命的定义，可得：的定义，可得：下页图所示为一个正偏下页图所示为一个正偏PNPN结的能带图，图中给出了本征费米能结的能带图，图中给出了本征费米能级以及电子和空穴的准费米能级，按照第八章中有关准费米能级以及电子和空穴的准费米能级，按照第八章中有关准费米能级的定义，有：级的定义，有：其中其中E EFnFn和和E EFpFp分别是电子和空穴的准费米能级。分别是电子和空穴的准费米能级。正偏条件下正偏条件下PNPN结的能带示意图结的能带示意图由此可见在正偏由此可见在正偏PNPN结空间电荷区中有：结空间电荷区中有：可见正偏可见正偏PNPN结空间电荷区存在净的载流子复合结空间电荷区存在净的载流子复合，复合电流密度为：，复合电流密度为：上式中上式中W W为正偏为正偏PNPN结中空间电荷区的宽度。结中空间电荷区的宽度。PNPN结中总的正偏电流密度应该是空间电荷区复合电流密度与理结中总的正偏电流密度应该是空间电荷区复合电流密度与理想的扩散电流密度之和，即：想的扩散电流密度之和，即：q总的总的PNPN结正偏电流：结正偏电流：如图所示为少子空穴在中性如图所示为少子空穴在中性N N型区中的分布型区中的分布 由此图中可由此图中可见，当空间电荷见，当空间电荷区中存在载流子复区中存在载流子复合时，由合时，由P P型区中注型区中注入过来的空穴数目入过来的空穴数目必须增加，这样才必须增加，这样才能维持中性能维持中性N N型区中型区中少子空穴的浓度分少子空穴的浓度分布。布。将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示，图中同时还包含了将上述两个关系式绘成曲线则如下图所示，图中同时还包含了PNPN结中总的正偏电流密度的变化关系结中总的正偏电流密度的变化关系 由此图中可见，由此图中可见，在在小电流区域，正偏小电流区域，正偏PNPN结中以结中以空间电荷区复合电流为主，空间电荷区复合电流为主，而在大电流区域，则以理想而在大电流区域，则以理想PNPN结的扩散电流为主。结的扩散电流为主。一般一般情况下正偏情况下正偏PNPN结的电流为：结的电流为：其中其中n n称为理想因子，一般称为理想因子，一般介于介于1 1和和2 2之间。之间。