尼曼-半导体物理与器件第八章.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章,pn,结二极管（,1,）,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章,pn,结二极管（,2,）,*,第八章,pn,结二极管,0,高等半导体物理与器件,第八章,pn,结二极管,第1页,第八章,pn,结二极管,1,pn,结电流,产生,-,复合电流和大注入,pn,结小信号模型,本章内容,第2页,第八章,pn,结二极管,2,（,1,）,pn,结内电荷流动定性描述,8.1 pn,结电流,第3页,第八章,pn,结二极管,3,pn,结加,正偏,V,a,，,V,a,基本上全降落在,耗尽区,势垒上,因为耗尽区中载流子浓度很小，与中性,p,区和,n,区体电阻相比耗尽区电阻很大,势垒高度由平衡时,eV,bi,降到,e,(,V,bi,-,V,a,),；正向偏压,V,a,产生电场与内建电场,反向,，势垒区中,电场强度减弱,，对应使空间电荷数量降低，,势垒区宽度变窄,。,第4页,第八章,pn,结二极管,4,产生,净扩散流,；电子：,n,区,p,区，空穴：,p,区,n,区,热平衡，载流子漂移与扩散,平衡被打破,：势垒高度降低，势垒区电场减弱，漂移减弱，因而漂移小于扩散，产生,净扩散流,。,空间电荷区两侧产生过剩载流子,；,正向注入：,经过势垒区进入,p,区电子和进入,n,区空穴分别在界面（,-,x,p,和,x,n,）处积累，产生过剩载流子。,少子注入：,因为注入载流子对它进入区域都是少子。,小注入：,注入少子浓度远小于进入区多子浓度。,边界上注入过剩载流子，不停向体内,扩散,，经过大约几个扩散长度后，又恢复到平衡值。,第5页,第八章,pn,结二极管,5,（,2,）理想电流,-,电压关系,理想,pn,结,I,-,V,特征方程四个基本假设条件：,pn,结为,突变结,，能够采取理想耗尽层近似，耗尽区以外为中性区；,载流子分充满足,麦克斯韦,-,玻尔兹曼近似,；,满足,小注入,条件；,pn,结内,电流处处相等,；结内电子电流和空穴电流分别为,连续函数,；耗尽区内电子电流和空穴电流为,恒定值,。,第6页,第八章,pn,结二极管,6,第7页,第八章,pn,结二极管,7,（,3,）边界条件,热平衡下,p,区少子浓度与,n,区多子浓度联络起来。,第8页,第八章,pn,结二极管,8,正偏，空间电荷区势垒高度降低，内建电场减弱,势垒降低,空间电荷区缩短,内建电场减弱,扩散电流,漂移电流,空间电荷区边界处少数载流子浓度注入,第9页,第八章,pn,结二极管,9,偏置状态下,p,区空间电荷区边界处非平衡少数载流子浓度,注入水平和偏置电压相关,边界条件,第10页,第八章,pn,结二极管,10,注入到,p/n,型区中电子,/,空穴会深入,扩散,和,复合,，所以公式给出实际上是耗尽区,边界,处,非平衡少数载流子浓度,。,上述边界条件虽是依据,pn,结,正偏,条件导出，但对反偏也,适用,。因而当,反偏足够高,时，由边界条件可得，耗尽区边界,少数载流子浓度基本为零,。,第11页,第八章,pn,结二极管,11,正偏,pn,结耗尽区边界处少数载流子浓度改变情况,反偏,pn,结耗尽区边界处少数载流子浓度改变情况,例,8.1,第12页,第八章,pn,结二极管,12,（,4,）少数载流子分布,假设：中性区内电场为,0,无产生，稳态,pn,结，长,pn,结,第13页,第八章,pn,结二极管,13,边界条件,双极输运方程能够简化为：,长,pn,结,第14页,第八章,pn,结二极管,14,双极输运方程通解为：,从上述四个边界条件可得：,第15页,第八章,pn,结二极管,15,由此，可得出,pn,结处于正偏和反偏时，耗尽区边界处少数载流子分布。,正偏,反偏,第16页,第八章,pn,结二极管,16,（,5,）理想,pn,结电流,第四个假设,pn,结电流为空穴电流和电子电流之和,空间电荷区内电子电流和空穴电流为定值,第17页,第八章,pn,结二极管,17,所以，耗尽区靠近,n,型区一侧边界处空穴扩散电流密度为：,pn,结均匀掺杂，上式可表示为：,利用少子分布公式，可得耗尽区,靠近,n,型区一侧边界处空穴扩散电流密度为：,pn,结,正偏,，,空穴电流密度,沿,x,轴正向，即,从,p,型区流向,n,型区,。,第18页,第八章,pn,结二极管,18,类似，耗尽区,靠近,p,型区一侧边界处电子扩散电流密度,为：,利用少子分布公式，上式简化为：,pn,结正偏，上述电子电流密度也是沿着,x,轴正方向。,若假设电子电流和空穴电流在经过,pn,结耗尽区时保持不变，则,流过,pn,结总电流,为：,第19页,第八章,pn,结二极管,19,上式为理想,pn,结电流,-,电压特征方程，可深入定义,J,s,：,理想,pn,结电流,-,电压特征,可简化为：,尽管理想,pn,结电流,-,电压方程是依据正偏,pn,结推出，但它一样适合用于理想反偏状态。能够看到，反偏时，电流饱和为,J,s,。,第20页,第八章,pn,结二极管,20,pn,结正偏电压远大于几个,V,t,时，上述电流,-,电压特征方程中（,-1,）项可忽略。,pn,结二极管,I-V,特征及其电路符号以下列图所表示。,第21页,第八章,pn,结二极管,21,可见，少子扩散电流呈指数下降，而流过,pn,结总电流不变，,二者之差是多子电流,。,p,型区空穴电流,提供了穿过空间电荷区向,n,型区注入空穴,提供了因与过剩少子电子复合而损失空穴,（,6,）物理学概念小结,pn,结耗尽区两侧少子扩散电流分别为：,第22页,第八章,pn,结二极管,22,下列图显示了正偏下,pn,结内理想电子电流与空穴电流成份。,例,8.4,第23页,第八章,pn,结二极管,23,温度效应对,pn,结二极管正、反向,I,-,V,特征影响以下列图所表示：,温度升高,，首先二极管,反向饱和电流增大,，另首先二极管,正向导通电压下降,。,（,7,）温度效应,第24页,第八章,pn,结二极管,24,（,8,）短二极管,前面分析中，假设理想,pn,结二极管,n,型区和,p,型区长度远大于少子扩散长度。实际,pn,结中，往往有一侧长度小于扩散长度，以下列图所表示，,n,型区长度,W,n,L,p,。,此时,n,型区中过剩少子空穴稳态输运方程为：,第25页,第八章,pn,结二极管,25,x,=,x,n,处边界条件仍为：,n,型区另一边界条件需修正：假设,x,=,x,n,+,W,n,处为欧姆接触，即,表面复合速度无穷大,，所以过剩载流子浓度为零。即：,对于上述关于,n,型区中过剩少子空穴稳态输运方程，其解形式仍为：,利用上述两个边界条件，可得稳态输运方程解为：,第26页,第八章,pn,结二极管,26,对于,W,n,kT,/,e,，则,复合电流密度,可由下式求得,空间电荷区内复合率并不是常数，但因为已计算出空间电荷区中心处最大复合率，则,第35页,第八章,pn,结二极管,35,因为,0,不是一个确定参数，所以习惯上令,x,=,W,。所以,总正偏电流,pn,结中总正偏电流密度是,复合电流密度,与,理想扩散电流密度,之和。,空间电荷区,中存在,载流子复合,时，由,p,型区中,注入过来空穴数目必须增加,，这么才能维持中性,n,型区中少子空穴浓度分布。,少子空穴在中性,n,型区中分布,第36页,第八章,pn,结二极管,36,总正偏电流密度为复合电流密度与扩散电流密度，即,其中，,对上述两式分别求对数可得：,由右图可见：,电流密度较低时,，正偏,pn,结中以空间电荷区,复合电流,为主；,电流密度较高时,，以理想,pn,结,扩散电流,为主。,第37页,第八章,pn,结二极管,37,（,2,）大注入,伴随正偏电压升高，注入少子浓度开始升高，甚至变得比多子浓度还要大。,由式（,8.18,）可知,大注入情况下，,n,n,0,及,p,p,0,，所以上式可近似为,因为,n,=,p,，所以,二极管电流与过剩载流子浓度成正比,，所以,第38页,第八章,pn,结二极管,38,右图绘制出了从低偏压到高偏压情况时二极管正偏电流曲线。,低偏压,时，,复合效应,；,高偏压,时，,大注入效应,。,第39页,第八章,pn,结二极管,39,8.3 pn,结小信号模型,某静态工作点,Q,附近，其,增量电导,为：,（,1,）扩散电阻,二极管电流可表示为：,前面讨论是,pn,结二极管直流特征，实际应用中关心是其,小信号等效电路模型,。,第40页,第八章,pn,结二极管,40,其倒数定义为二极管在静态工作点附近,增量电阻,，即：,假如二极管外加正向偏置电压足够大，则电流方程中（,-1,）项能够忽略，所以其增量电导为：,对应地其小信号增量电阻为：,上述小信号增量电阻也称为,扩散电阻,。,第41页,第八章,pn,结二极管,41,当,pn,结处于正偏时，一样也会表现出一个,电容效应,。,可见，正偏电压,V,a,随时间改变，所以注入少子浓度也随时间而不停改变。,（,2,）小信号导纳,如图所表示，,pn,结正偏直流电压,V,dc,上同时又叠加一很小正弦交流电压，则,总正偏电压,可表示为：,第42页,第八章,pn,结二极管,42,以空穴由,p,型区注入,n,型区为例，在,t,0,、,t,1,、,t,2,三个时刻，n,型区一侧空间电荷区边界处少子空穴浓度分别以下列图所表示。由图可见，空间电荷区边界处,少子空穴浓度,也在直流稳态基础上叠加一个随时间改变交流分量。,由前面分析可知，空穴从耗尽区边界处开始不停地向,n,型区中扩散，并在,n,型区中与多子电子相复合。,第43页,第八章,pn,结二极管,43,假设交流电压信号周期远大于过剩载流子往,n,型区中扩散所需时间,，所以空穴浓度在,n,型区中随空间分布能够近似为一个稳态分布。,这种,n,型区空穴与,p,型区电子,充、放电过程,产生,电容效应,，称为,扩散电容（,C,d,）,。其物理形成机制与第七章中讨论势垒电容有很大不一样。,正偏,pn,结扩散电容要比其势垒电容大得多,。,阴影面积表示是在交流电压周期内轮番充、放电电荷,Q,第44页,第八章,pn,结二极管,44,pn,结二极管小信号等效电路模型可依据其正偏下,小信号导纳公式,得到：,等效电路以下列图所表示,:,在此基础上，还需加上耗尽层,势垒电容,影响，该电容与,扩散电容,和,扩散电阻,相并联。另外，还须考虑,pn,结两侧,n,型中性区和,p,型中性区,串联电阻,r,s,。,（,3,）等效电路,第45页,第八章,pn,结二极管,45,设,pn,结二极管两端外加电压为,V,app,，真正降在,pn,结耗尽区两侧电压为,V,a,，则有,其中，,V,a,和,I,之间满足：,第46页,第八章,pn,结二极管,46,一个实际,pn,结二极管正偏下,I,-,V,特征,串联电阻在,小电流,情况下基本可忽略。,当外加正偏电压较大而使得正偏,pn,结电流也比较大时，,串联电阻影响就变得十分显著，,这么就使得,pn,结二极管特征与正常指数关系有很大偏离。,第47页,第八章,pn,结二极管,47,小结,理想电流,-,电压关系：正向扩散电流，反向饱和电流,非理想情况：反偏产生电流、正偏复合电流,小信号模型：扩散电阻、扩散电容,第48页,第八章,pn,结二极管,48,作业,8.26 Si,第49页,第八章,pn,结二极管,谢 谢！,第50页,