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第二章PN結●熱平衡PN結●加偏壓PN結●抱負PN結直流電流-電壓特性●空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流●隧道電流●I-V特性溫度依賴關系●耗盡層電容●PN結二極管頻率特性●PN結二極管開關特性●PN結擊穿第1頁引言PN結是幾乎所有半導體器件基本單元。除金屬－半導體接觸器件外，所有結型器件都由PN結組成。PN結本身也是一種器件－整流器。PN結含有豐富物理知識，掌握PN結物理原理是學習其它半導體器件器件物理基礎。由P型半導體和N型半導體實現(xiàn)冶金學接觸（原子級接觸）所形成構造叫做PN結。任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）冶金學接觸都稱為結（junction）,有時也叫做接觸（contact）。1.PN結定義：第2頁引言2.幾個分類：因此PN結有同型同質(zhì)結、同型異質(zhì)結、異型同質(zhì)結和異型異質(zhì)結之分。廣義地說，金屬和半導體接觸也是異質(zhì)結，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬－半導體接觸或金屬－半導體結（M-S結）。

同質(zhì)結：由同種物質(zhì)組成結（如硅）；異質(zhì)結：由不一樣種物質(zhì)組成結（如硅和鍺）

；同型結：由同種導電類型物質(zhì)組成結（如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結：由不一樣種導電類型物質(zhì)組成結（如P-硅和N-硅、P-鍺和N－鍺）；第3頁引言3.采取硅平面工藝制備PN結主要工藝過程(a)拋光處理后型硅晶片(b)采取干法或濕法氧化工藝晶片氧化層制作

(c)光刻膠層勻膠及堅膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜晶片n-

Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后晶片

第4頁引言采取硅平面工藝制備PN結主要工藝過程(g)完成光刻后去膠晶片

(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）PN結制作完成

(h)通過擴散（或離子注入）形成PN結P-

SiN-

SiSiO2N+第5頁引言4.突變結與線性緩變結

1)突變結：

P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過渡陡峭單邊突變結（一側雜質(zhì)濃度遠遠大于另一側質(zhì)濃度突變結）第6頁引言4.突變結與線性緩變結

2)線性緩變結：

在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質(zhì)過渡是漸變第7頁2.1熱平衡PN結1.PN結空間電荷區(qū)形成（熱平衡系統(tǒng)費米能級恒定原理）在形成結之前N型材料中費米能級接近導帶底，P型材料中費米能級接近價帶頂。當N型材料和P型材料被連接在一起時，費米能級在熱平衡時肯定恒等。p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

漂移

漂移

擴散

擴散

E

ny

py

（a）在接觸前分開P型和N型硅能帶圖（b）接觸后能帶圖第8頁多子擴散和少子漂移達成動態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子擴散運動形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場促使少子漂移制止多子擴散第9頁內(nèi)建電場：

空間電荷區(qū)中正、負電荷間產(chǎn)生電場，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。平衡p-n結：

載流子在內(nèi)建電場作用下，漂移運動和擴散運動相抵時，所達成動態(tài)平衡（p-n結凈電流為零）。

++++++------空間電荷區(qū)內(nèi)建電場第10頁形成擴散電流并增加空間電荷區(qū)寬度平衡時平衡p-n結形成漂移電流并減小空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度也達成穩(wěn)定，電流為零多子擴散運動少子漂移運動第11頁2.1熱平衡PN結2.PN結空間電荷區(qū)形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費米能級條件是由電子從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。電子和空穴轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被賠償施主離子和受主離子。它們是荷電，固定不動，稱為空間電荷?？臻g電荷存在區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對應空間電荷分布第12頁2.1熱平衡PN結3.幾個概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度能夠忽視，這種近似稱為耗盡近似。因此空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)（又稱為耗盡層）。在完全耗盡區(qū)域，自由載流子密度為零。內(nèi)建電勢差：由于內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)兩側存在電勢差，這個電勢差叫做內(nèi)建電勢差（用表達）。勢壘區(qū)：N區(qū)電子進入P區(qū)需要克服勢壘，P區(qū)空穴進入N區(qū)也需要克服勢壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢壘區(qū)。中性近似：假設耗盡區(qū)以外，在雜質(zhì)飽和電離情況下，多子濃度等于電離雜質(zhì)濃度，因而保持電中性，因此PN結空間電荷區(qū)外部區(qū)域常稱為中性區(qū)。中性區(qū)自由載流子濃度與雜質(zhì)濃度相等，不存在電場。第13頁2.1熱平衡PN結4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間電位差）辦法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費米勢為零基按時：（2-1-2b）由中性區(qū)電中性條件，即電荷總密度為零。得到：即：（2-1-4）第14頁2.1熱平衡PN結辦法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-1-5）對于N型中性區(qū)，假設，。即

，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢為：采取同樣辦法，得到P型中性區(qū)電勢為：（2-1-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間電位差為（2-1-7）第15頁2.1熱平衡PN結辦法二：（費米能級恒定）從費米能級恒定觀點來看，熱平衡PN結具有統(tǒng)一費米能級。形成PN結之前N區(qū)費米能級比P區(qū)費米能級高。形成PN結之后，費米能級恒定要求N區(qū)費米能級相對P區(qū)費米能級下降，則原費米電勢差

即PN結中N型與P型中性區(qū)間電勢差。未形成PN結之前N區(qū)（P區(qū)）電子（空穴）濃度為：能夠得到分別費米能級為：再由熱電勢，得：第16頁辦法三：（在平衡狀態(tài)下，凈空穴電流密度為零）并可深入求出內(nèi)建電勢為從上式可解出內(nèi)建電場，由于，，故得：第17頁2.1熱平衡PN結5.利用Poisson方程求解單邊突變結(P+N)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度N側Poisson方程：P側Poisson方程：空間電荷電中性：空間電荷層寬度：對于單邊突變結：單邊突變結電荷分布、電場分布、電勢分布第18頁2.1熱平衡PN結對N側Poisson方程邊界條件：應用做一次積分：得：邊界條件：再次積分：第19頁2.1熱平衡PN結很小，由電勢連續(xù)性，內(nèi)建電勢差：——擴散電勢或自建電勢——熱平衡下勢壘高度耗盡層寬度：思考：利用Poisson方程求解突變結SCR（非單邊）內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度第20頁2.1熱平衡PN結6.學習要求1)掌握下列名詞、術語和基本概念：PN結、突變結、線性緩變結、單邊突變結、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢差、勢壘。2)分別采取費米能級和載流子漂移與擴散觀點解釋PN結空間電荷區(qū)（SCR)SpaceChargeRegion)形成3)正確畫出熱平衡PN結能帶圖（圖2-3a、b）。4)利用中性區(qū)電中性條件導出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式：5)解Poisson方程求解單邊突變結SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度。（2-1-7）第21頁第22頁2.2加偏壓PN結1.加偏壓PN結能帶圖1)熱平衡時2)加正向偏壓時耗盡層寬度為耗盡層寬度為第23頁2.2加偏壓PN結加正向偏壓時遠離PN結空間電荷區(qū)中性區(qū)準費米能級

和

。偏壓

使熱平衡費米能級分裂，N區(qū)準費米能級

相對P區(qū)準費米能級

上移

。對應地，N區(qū)各個能級上移

。勢壘高度降至。在空間電荷區(qū)由于，能夠以為費米能級

和

通過空間電荷區(qū)時分別不變。在空間電荷區(qū)N側，空穴準費米能級從

逐漸升高,最后與準電子費米能級

相等。這個空穴準費米能級變化區(qū)域，稱為空穴擴散區(qū)。類似地，在空間電荷區(qū)P側

逐漸下降,最后與空穴準費米能級相等。這個電子準費米能級變化區(qū)域，稱為電子擴散區(qū)。第24頁2.2加偏壓PN結3)加反偏壓時耗盡層寬度為N區(qū)接正電位，在遠離PN結空間電荷區(qū)中性區(qū)，

及諸能級相對P區(qū)

下移

。在空間電荷區(qū)由于載流子耗盡，通過空間電荷區(qū)時

和

不變。勢壘高度增加至，增高勢壘阻擋載流子通過PN結擴散，通過PN結電流非常小，結阻抗很高。耗盡層寬度（突變結）：（2-2-1）第25頁2.2加偏壓PN結4)根據(jù)載流子擴散與漂移觀點分析結單向?qū)щ娦?/p>

正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由下降到

打破了PN結熱平衡，使載流子擴散運動占優(yōu)勢即造成少子正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由上升到

同樣打破了PN結熱平衡，使載流子漂移運動占優(yōu)勢,這種漂移是N區(qū)少子空穴向P區(qū)和P區(qū)少子電子向N區(qū)漂移，因此電流是反向且很小。第26頁2.2加偏壓PN結在正偏壓下，外加電壓減少了PN結勢壘，加強了電子從N側到P側擴散以及空穴從P側到N側擴散。2.少數(shù)載流子注入與輸運1)結邊緣少數(shù)載流子濃度——N側和P側平衡電子濃度——N側和P側平衡空穴濃度自建電勢：（2-2-9）第27頁2.2加偏壓PN結加上偏壓，結電勢變?yōu)椤狽側和P側空間電荷層邊緣電子濃度考慮低水平注入，得：類推得：——（2-2-11,12）空間電荷層邊緣少數(shù)載流子濃度正向少子注入：當PN結加上正向偏壓時，在結邊緣反向少子抽?。寒擯N結加上反向偏壓時，在結邊緣1)結邊緣少數(shù)載流子濃度第28頁2.2加偏壓PN結2)空間電荷效應和擴散近似在注入載流子存在區(qū)域，假設電中性條件完全得到滿足。注入載流子通過擴散運動在電中性區(qū)中輸運。這種近似稱為擴散近似。在擴散近似下，穩(wěn)態(tài)載流子輸運滿足擴散方程。注入PN結N側空穴及其所造成電子分布第29頁(2-2-3)空穴電流(2-2-4)(2-2-5)電子電流(2-2-6)第30頁2.2加偏壓PN結3.學習要求1)掌握名詞、術語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴散近似、擴散區(qū)2)正確畫出加偏壓PN結能帶圖。3)根據(jù)修正歐姆定律分析結單向?qū)щ娦?)根據(jù)載流子擴散與漂移觀點分析結單向?qū)щ娦?)掌握反偏壓下突變結，耗盡層寬度公式（2-2-1）6)導出少數(shù)載流子濃度公式（2-2-11）和（2-2-12）第31頁第32頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性1.抱負P-N結基本假設及其意義1)外加電壓所有降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外半導體是電中性，這意味著忽視中性區(qū)體電阻和接觸電阻。2)均勻摻雜。無內(nèi)建電場，載流子不作漂移運動。3)空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復合電流和產(chǎn)生電流。4)小注入，即5)半導體非簡并第33頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性2.載流子分布滿足邊界條件解得解穩(wěn)態(tài)擴散方程第34頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性2.載流子分布對于長二極管，上式簡化為PN結P側電子分布為少數(shù)載流子分布第35頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性3.電流分布對于長二極管，空穴注入所引發(fā)擴散電流為在空間電荷層邊緣（2-3-8），空穴電流為空穴電流分布改寫為（2-3-9）第36頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性3.電流分布（2-3-15）類似，電子電流分布為空穴電流分布為第37頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性3.電流分布公式（2-3-9）和（2-3-15）指出，由于少子電流沿遠離PN結方向而e指數(shù)地減小。由于總電流相對于x來說肯定不變，才能滿足電流連續(xù)性。因此多子電流必須伴隨x增加而增加，以賠償空穴電流下降。也就是說，少子電流通過電子

空穴正確復合不停地轉(zhuǎn)換為多子電流。電子電流和空穴電流：忽視空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流，得總電流：——二極管飽和電流第38頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性4.PN結飽和電流幾個體現(xiàn)方式(一般是反向飽和電流)抱負PN結飽和電流起源于擴散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子。（2-3-21）（2-3-20）二極管飽和電流由電子擴散電流和空穴擴散電流兩部分組成（2-3-18）（2-3-19）對于P+N(N+P)單邊突變結，電子電流（空穴電流）能夠忽視與半導體材料禁帶寬度有密切關系。禁帶寬度大，其值越小。第39頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性5.反向偏置PN結少子分布和電流分布（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流反向偏壓——反向飽和電流——分別是PN結空穴擴散區(qū)和電子擴散區(qū)所發(fā)生空穴產(chǎn)生電流和電子產(chǎn)生電流第40頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性6.PN結典型電流

電壓特性

PN結正向電流隨外加電壓e指數(shù)增加，反向電流則很小，這就是PN結單向?qū)щ娦?。?1頁2.3抱負PN結直流電流－電壓特性7.學習要求1)理解抱負PN結基本假設及其意義。2)根據(jù)公式（2-3-4）導出長PN結和短PN結少子分布體現(xiàn)式。3)導出公式（2-3-16）、（2-3-17)。4)根據(jù)公式（2-3-21）解釋抱負PN結反向電流起源。5)畫出正、反偏壓下PN結少子分布、電流分布和總電流示意圖。第42頁2.4空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流1.復合電流（在正偏壓時候出現(xiàn)）正偏壓使得空間電荷層邊緣處載流子濃度增加，以致，這些過量載流子穿越空間電荷層，使得超出平衡值，因此，在空間電荷層中會有復合。復合電流：考慮最大復合條件外加電壓V時，在勢壘區(qū)中，平衡時，可見：當V=0

時，np=ni2

，U=0

，不發(fā)生凈復合；當V>0時，np>ni2

，U>0，發(fā)生凈復合；當V<0時，np<ni2

，U<0，發(fā)生凈產(chǎn)生。？？第43頁其中：（2-4-5）得：最大復合率為:考慮最大復合影響外加電壓V一定期，第44頁2.4空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流圖2-11襯底摻雜濃度為1016cm

3硅擴散結電流

電壓特性低偏壓：空間電荷區(qū)復合電流占優(yōu)勢偏壓升高：擴散電流占優(yōu)勢更高偏壓：串聯(lián)電阻影響出現(xiàn)了（擴散電流為主）第45頁2.4空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流2.擴散電流對于P+N結，當外加正向電壓且V>>VT

時，把擴散電流記為3.復合電流與擴散電流比較（對于P+N結）上式表白，若越小，電壓愈低，則勢壘區(qū)復合電流影響愈大；半導體材料禁帶寬度愈大，勢壘區(qū)復合電流愈大；硅PN結比鍺PN結勢壘區(qū)復合電流大；PN結輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度愈大，勢壘區(qū)復合電流愈大。

第46頁2.4空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流4.產(chǎn)生電流（在反向偏壓時候出現(xiàn)）PN結處于反向偏壓，空間電荷區(qū)中，有：產(chǎn)生率：產(chǎn)生電流：由于空間電荷層寬度伴隨反向偏壓增加而增加因而反向電流是不飽和，產(chǎn)生電流也伴隨反向偏壓增加而增加。第47頁2.4空間電荷區(qū)復合電流和產(chǎn)生電流5.學習要求理解并掌握概念：正偏復合電流反偏產(chǎn)生電流推導公式（2-4-2）、（2-4-5）、（2-4-9）理解低偏壓下空間電荷區(qū)復合電流占優(yōu)，伴隨電壓增加擴散電流越來越成為主要成份第48頁2.5隧道電流1.量子力學隧道效應當PN結P側和N側均為重摻雜情況時，有些載流子也許穿透勢壘而產(chǎn)生額外電流2.產(chǎn)生隧道電流條件（1）費米能級位于導帶或價帶內(nèi)部；（2）空間電荷層寬度很窄，因而有高隧道穿透幾率；（3）在相同能量水平上在一側能帶中有電子而在另一側能帶中有空狀態(tài)。當結兩邊均為重摻雜，從而成為簡并半導體時，（1）、（2）條件滿足。外加偏壓可使條件（3）滿足。第49頁2.5隧道電流3.隧道效應p(a)0K和沒有外加偏壓(b)外加正向偏壓(c)外加正向偏壓第50頁2.5隧道電流4.隧道效應(d)外加正向偏壓(e)外加反向偏壓第51頁2.5隧道電流5.隧道機制分析簡化隧道穿透幾率：——勢壘高度——空間電荷層寬度（勢壘厚度）代入得：（2-5-1）則隧道電流可為：——隧道電子速度第52頁2.5隧道電流5.隧道機制分析若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽視，電流

電壓曲線則將被變化成示于圖2-14b中情形。這稱為反向二極管第53頁2.5隧道電流6.隧道二極管特點和應用上不足（1）隧道二極管是利用多子隧道效應工作。由于單位時間內(nèi)通過結多數(shù)載流子數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低噪聲。（2）隧道結是用重摻雜簡并半導體制成，由于溫度對多子影響小，使隧道二級管工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢壘極其迅速，不受電子渡越時間限制，因此能夠在極高頻率下工作。這種優(yōu)越性能，使隧道二級管能夠應用于振蕩器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)多諧振蕩器，高速邏輯電路以及低噪音微波放大器。由于應用兩端有源器件困難以及難以把它們制成集成電路形式，隧道二極管利用受到限制。第54頁7.學習要求理解產(chǎn)生隧道電流條件畫出能帶圖解釋隧道二極管I－V特性理解隧道二極管特點和不足2.5隧道電流第55頁1.PN結處于正向偏置2.6溫度對PN結I-V特性影響總電流（擴散電流）：（2-3-16）復合電流：（2-4-5）得：（2-6-1）式中隨溫度增加而迅速增加，可見在高于室溫時，不太大正偏壓（Si

0.3V）就使占優(yōu)勢。

第56頁2.PN結處于反向偏置2.6溫度對PN結I-V特性影響（2-6-2）伴隨溫度增加，增大，也是擴散電流占優(yōu)勢。無論是在正向還是反向偏置，PN結溫度特性主要取決于二極管方程：（2-3-16）反向偏壓情況下，二極管I－V特性溫度效應：（2-3-18）（2-4-9）第57頁3.PN結處于反向偏置2.6溫度對PN結I-V特性影響相對來說，括號內(nèi)參量對溫度變化不敏捷。

（2-6-3）對T求導，所得成果除以，得到（2-6-4）反應了反偏壓情況下，二極管I－V特性溫度效應。20

40

60

80

100

101

102

103

100

VR=6V

T°C

第58頁4.PN結處于正向偏置2.6溫度對PN結I-V特性影響?。?-6-5）導出：代入（2-6-4）式，得到

（2-6-7）I，A

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10-5

150°C

25°C

-55°C

V—V

結電壓隨溫度變化十分敏捷，常用來精確測溫和控溫第59頁5.學習要求理解PN結I－V特性溫度依賴關系理解公式（2-6-3）、（2-6-7）、（2-6-8）2.6溫度對PN結I-V特性影響第60頁1.耗盡層電容

已經(jīng)證明耗盡層寬度是偏置電壓函數(shù)，由于在結兩個半邊內(nèi)空間電荷直接正比于耗盡層寬度，則有：2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管（2-7-1）空間電荷層小信號電容：得：（2-7-3）C稱為過渡電容或耗盡層電容有時亦稱為勢壘電容第61頁1.耗盡層電容

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管PN結空間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引發(fā)電容。

常用關系：

（2-7-7）21C

0y

RV

1、根據(jù)該圖中直線斜率能夠計算出施主濃度。2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處第62頁2.求雜質(zhì)分布

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在雜質(zhì)分布未知PN結中，能夠利用電容

電壓曲線描繪出輕摻雜一邊雜質(zhì)分布，此稱求雜質(zhì)分布?？紤]任意雜質(zhì)分布：（2-7-8）x

()xN

()WN

W

dW

式中

是在空間電荷層邊緣處雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場增量是與電荷增量之間具有如下關系：電場增量偏壓增量具有如下關系：

（2-7-9）第63頁2.求雜質(zhì)分布

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由

得：

——勢壘電容把（2-7-9）式至（2-7-11）式代入（2-7-8）式并將成果重新整頓得到（2-7-12）（2-7-11）第64頁3.求雜質(zhì)分布程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在不一樣反偏壓下測量電容：用（2-7-11）式求出以上不一樣反偏壓下空間電荷區(qū)寬度：畫出相對曲線。從此曲線中取并將其成果代入（2-7-12）式計算出畫出完整雜質(zhì)分布注意：倘若出現(xiàn)高密度陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面分析必須加以修正，以適應這些荷電狀態(tài)。

第65頁3.求雜質(zhì)分布程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計算機算出成果第66頁3.求雜質(zhì)分布程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由勞倫斯和沃納用計算機算出成果第67頁4.變?nèi)荻O管

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管根據(jù)（2-7-3）可見反向偏置PN結能夠作為電容使用在LC調(diào)諧電路中。專門為此目標制造二極管稱為變?nèi)荻O管。結型二極管電容

電壓方程可寫成

：對于單邊突變結，，如式（2-7-3）中所表達。第68頁4.變?nèi)荻O管

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一種P-N結電容LC電路，其諧振頻率可表達為（2-7-13）在電路應用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關系，也就是說，要求。第69頁5.學習要求掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管掌握耗盡層電容公式（2-7-3）、（2-7-11）2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管掌握C－V關系：公式（2-7-7）及其應用掌握求雜質(zhì)分布概念及求解程序掌握使用圖表2-18求電容辦法理解變?nèi)荻O管應用及其設計標準第70頁PN結在小信號工作時特點：信號電流與信號電壓之間滿足線性關系，從物理上說，就是器件內(nèi)部載流子分布變化跟得上信號變化。2.8PN結二極管頻率特性器件頻率特性：器件處理連續(xù)波時所體現(xiàn)出來性能。

器件開關特性（瞬變）：器件處理數(shù)字信號和脈沖信號時所體現(xiàn)出來性能。（大信號）PN結在大信號工作時特點：I－V特性和C－V特性等都是非線性。討論PN結在小信號工作時，能夠把電流、電壓以及非平衡載流子瞬態(tài)值表達成直流成份與交流成份疊加：小信號條件：（2-8-1）第71頁2.8PN結二極管頻率特性空穴分布：1.少子邊界條件（2-8-3）在PN結邊緣N側處，（2-8-7）對于采取近似：得：（2-8-3）式中：少子邊界條件為:

（2-8-11）第72頁2.8PN結二極管頻率特性在N型中性區(qū)，把空穴分布2.交流少子連續(xù)性方程代入連續(xù)性方程：（2-8-4）式中得由于（2-8-5）第73頁2.8PN結二極管頻率特性3.交流少子分布（2-8-14）N區(qū)空穴交流分量對于長二極管（

）

（2-8-13）第74頁2.8PN結二極管頻率特性交流少子分布P區(qū)電子交流分量（2-8-16）（2-8-18）第75頁2.8PN結二極管頻率特性4.交流電流（2-8-15）（2-8-20）總交流電流

而空穴電流：

注入到P區(qū)電子交流分量：

得：

（2-8-18）第76頁2.8PN結二極管頻率特性5.二極管交流導納二極管交流導納定義為交流電流與交流電壓之比：（2-8-22）其中為二極管正向電流直流成份。

直流電導也叫做擴散電導，其倒數(shù)叫做PN結擴散電阻。稱為P-N結擴散電容。其性質(zhì)如下：1、擴散電容在PN結正偏壓情況下出現(xiàn)。偏壓愈高，擴散電容愈大。反偏PN結不存在貯存電荷，因此不體現(xiàn)出擴散電容；2、工作電流愈大，擴散電容愈大；3、對于高頻情形，存貯電荷跟不上結電壓變化、很小，對于

低頻情況，擴散電容尤其主要；4、減少少子壽命（硅材料中摻金）能夠有效地減小擴散電容。第77頁2.8PN結二極管頻率特性6.二極管等效電路

在許多應用中，總是根據(jù)在使用條件下半導體器件各部分物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定電路來達成等效器件功能。這種電路叫做等效電路。PN結小信號交流等效電路如圖2-20所示?！谋M層電容——串聯(lián)電阻——擴散電容——直流電導第78頁2.8PN結二極管頻率特性7.學習要求掌握概念：交流導納擴散電導擴散電阻擴散電容等效電路掌握解擴散方程求出了交流少子分布、電流分布、交流電流掌握二極管等效電路第79頁2.9PN結二極管開關特性1.二極管開關作用PN結二極管處于正向偏置時，允許通過較大電流，處于反向偏置時通過二極管電流很小，因此，常把處于正向偏置時二極管工作狀態(tài)稱為開態(tài)，而把處于反向偏置時工作狀態(tài)叫作關態(tài)?？梢娊Y二極管能起到開關作用。第80頁2.9PN結二極管開關特性2.PN結反向瞬變電流和電壓延遲現(xiàn)象源于PN結電荷貯存效應第81頁2.9PN結二極管開關特性3.PN結二極管電荷存放效應PN結加一恒定正向偏壓時，載流子被注入并保持在結二極管中，在擴散區(qū)建立確定非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷存放效應。當正向偏壓突然轉(zhuǎn)至反向偏壓時，在穩(wěn)態(tài)條件下所保持載流子并不能立即消除。第82頁2.9PN結二極管開關特性4.PN結反向瞬變定性解釋

到則沿X軸正方向，于是電流反向。

1、在處注入載流子濃度結界面不停下降，注入載流濃度梯度2、注入非平衡少子濃度梯度不變，因此反向電流變成反向電流原因。

為常量。這就解釋了當偏壓由立即變成擴散電流之后，但在這一段時間內(nèi)，由于在減小，因此平衡少子被清除完成，于是結電壓為零。

仍然大于面上，因此PN結兩端電壓3、在也在減小，當時，能夠以為，即所有注入非第83頁2.9PN結二極管開關特性PN結反向瞬變定性解釋

在，因而也愈來愈小，因此也愈來愈小，電流和電壓波形中出現(xiàn)“尾巴”。（即達成穩(wěn)定反偏狀態(tài)之后）由于反向偏壓PN結抽取作用，在面上達成反向偏壓PN結穩(wěn)定狀態(tài)時分布情況，第84頁2.9PN結二極管開關特性5.PN結反向瞬變定量分析（電荷控制分析辦法

）

在

考慮長P+N結二極管電荷貯存效應。

N側總貯存電荷定義為（2-9-1）對連續(xù)方性程從0至求一次積分（令）并利用（2-9-1）式，得到

（2-9-2）——電荷控制方程

第85頁2.9PN結二極管開關特性PN結反向瞬變定量分析（電荷控制分析辦法

）

在

為在所有貯存電荷被清除（定義貯存時間）所需要時間，從而

通過解依賴于時間連續(xù)性方程進行精確分析得到是（2-9-7）（2-9-8）第86頁

2.9PN結二極管開關特性6.階躍恢復二極管反向瞬變波形能夠通過在二極管中引入一自建場進行修正。例如若在P+N二極管輕摻雜一側雜質(zhì)濃度為

（2-9-9）自建電場為：式中為在PN結處雜質(zhì)濃度；a為常數(shù)。（2-9-10）于是注入非平衡少子空穴現(xiàn)有擴散運動，也有在自建場作用下漂移運動。自建場沿著-x方向，漂移電流也沿-x方向，方向當二極管由正向偏置轉(zhuǎn)換到反向偏置之后，注入少子空穴開始反向流向空間電荷區(qū)，而此時自建場E將加速這種流動。

第87頁2.9PN結二極管開關特性7.學習要求掌握概念：PN結二極管開關作用、反向瞬變、電荷貯存、貯存時間、電荷控制分析辦法、階躍恢復二極管根據(jù)PN結二極管少數(shù)載流子分布示意圖定量地解釋PN結二極管反向瞬變現(xiàn)象。利用電荷控制辦法求得貯存時間并與嚴格解成果比較。掌握階躍恢復二極管工作原理第88頁2.10

PN結擊穿1.PN結擊穿當加在PN結上反偏壓增加到一定數(shù)值，再稍微增加，PN結就會產(chǎn)生很大反向電流。這種現(xiàn)象叫做結擊穿。擊穿過程并非具有破壞性，只要最