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文檔簡介

1,3。電流-電壓特性理想情況( 肖克萊方程),正偏,反偏,2,正向和反向偏置下的能帶圖、電勢分布和載流子濃度分布,3,熱平衡時,波耳茲曼關(guān)系:,本征能級電勢,費米能級電勢,熱平衡時,4,外加電壓, 結(jié)兩側(cè)的少數(shù)載流子密度變化,正向偏置,反向偏置,5,根據(jù)電流密度方程:,同理:,電子和空穴的電流密度正比于各自的準(zhǔn)費米能級梯度,熱平衡狀態(tài):,6,正向和反向偏置下的能帶圖、電勢分布。,7,結(jié)上的靜電勢差:,P型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=-xp的電子濃度:,n型一側(cè)耗盡區(qū)邊界x=xn的空穴濃度:,PN結(jié)邊界處的非平衡少數(shù)載流子濃度:,正向偏壓時,邊界的少數(shù)載流子濃度比平衡時要大,反向偏壓時要小.,8,正向和反向偏置下的能帶圖和載流子濃度分布,9,根據(jù)連續(xù)性方程,靜態(tài)時, 對N區(qū):,凈復(fù)合率,利用電中性(nn-nn0) (pn-pn0),結(jié)合愛因斯坦關(guān)系:,乘以 ppn,乘以 nnn,+,10,其中:,小注入假設(shè):n型區(qū),比較,11,無電場的中性區(qū), 進(jìn)一步簡化:,x=xn:,邊界條件:,12,正向偏置狀態(tài): 載流子分布和電流密度分布,13,反向偏置狀態(tài): 載流子分布和電流密度分布,14,總電流:,肖克萊方程, 理想二極管定律,理想的電流-電壓特性 (a)線性坐標(biāo),(b)半對數(shù)坐標(biāo),15,溫度對飽和電流密度的影響:,p+-n單邊突變結(jié):,施主濃度ND,與指數(shù)項相比,前面一項與溫度的關(guān)系并不重要.,反向, |JR|JS,電流按照 關(guān)系隨溫度增加;,正向, 電流大致按 變化.,16,3。電流-電壓特性產(chǎn)生-復(fù)合過程,表面效應(yīng)表面離子電荷 耗盡層內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合 大注入 串聯(lián)電阻效應(yīng) 大的反向電場,結(jié)的擊穿,偏離理想情形,反向偏置下,耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過程 載流子發(fā)射過程,產(chǎn)生與復(fù)合過程對電流-電壓特性的影響:,正向偏置下,耗盡區(qū)主要的復(fù)合-產(chǎn)生過程 載流子俘獲過程,產(chǎn)生-復(fù)合速率,17,電子-空穴對的產(chǎn)生率:,有效壽命,pnni nnni,反向偏置下,載流子發(fā)射,耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生電流:,耗盡層寬度,只有能級Et靠近本征費米能級的產(chǎn)生中心,對產(chǎn)生率有顯著貢獻(xiàn),18,突變結(jié):,若有效壽命隨溫度緩變,則產(chǎn)生電流與ni有同樣的溫度關(guān)系,,線性緩變結(jié):,總的反向電流 = 中性區(qū)的擴(kuò)散電流 + 耗盡區(qū)的產(chǎn)生電流:,室溫下: 若ni很大(例如Ge),擴(kuò)散電流為主 反向電流符合理想情況 若ni很?。ɡ鏢i),產(chǎn)生電流占優(yōu)勢 高溫下: 擴(kuò)散電流為主,在給定溫度下, 產(chǎn)生電流正比于耗盡層寬度, 耗盡層寬度又與外加反向偏壓有關(guān):,19,實際Si二極管的電流-電壓特性,產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū),擴(kuò)散電流區(qū),大注入?yún)^(qū),串聯(lián)電阻效應(yīng),產(chǎn)生-復(fù)合與表面效應(yīng)等引起的反向漏電流,20,正向偏置下:,俘獲過程,擴(kuò)散電流+復(fù)合電流 Jrec,若 Ei=Et ,n= p= ,將,代入復(fù)合率,21,當(dāng)電子與空穴的濃度和 ( n+p) 為最小值時, 復(fù)合率 U在耗盡區(qū)達(dá)到最大:,即Ei恰好位于EFn和EFp的中間:,22,V3kT/q時,有:,總的正向電流:,實驗結(jié)果一般可用經(jīng)驗公式:,復(fù)合電流占優(yōu)勢:n=2, 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢:n=1, 兩種電流相當(dāng):1n2 .,復(fù)合電流:,理想系數(shù),23,實際Si二極管的電流-電壓特性,產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū),擴(kuò)散電流區(qū),大注入?yún)^(qū),串聯(lián)電阻效應(yīng),產(chǎn)生=復(fù)合與表面效應(yīng)等引起的反向漏電流,24,正向偏置,大電流密度,少數(shù)載流子密度與多數(shù)載流子密度可以比擬,,在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生電場和載流子的漂移運動。,3。電流-電壓特性大注入條件,p+-n結(jié),正向大注入效應(yīng),25,必須同時考慮電子和空穴的漂移和擴(kuò)散電流分量。,空穴電流密度:,此區(qū)間的電子電流密度:,可以求出漂移電場:,大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍,26,N區(qū)有電場,則結(jié)區(qū)以外的區(qū)域產(chǎn)生壓降,使得加在結(jié)上的電壓降低。,結(jié)區(qū)壓降,N區(qū)壓降,大注入時,結(jié)上的壓降與外電壓和n區(qū)少子濃度有關(guān)。,27,由于在結(jié)區(qū)以外的壓降,大注入使電流-電壓關(guān)系改變,由原來的exp(qV/kT),變成exp(qV/2kT),28,工作在不同電流密度下Si p+-n 結(jié)的載流子濃度,本征費米能級,準(zhǔn)費米能級,電流密度: 10A/cm2 103A/cm2 104A/cm2,p+-n結(jié),29,在大注入時,還要考慮與準(zhǔn)中性區(qū)和歐姆接觸的電阻相聯(lián)系的串聯(lián)電阻效應(yīng),為減少PN結(jié)的體電阻,采用外延方法,可大大降低串聯(lián)電阻效應(yīng).,串聯(lián)電阻效應(yīng),串聯(lián)電阻使得中性區(qū)上的壓降IR 降低了耗盡區(qū)的偏壓.,理想電流降低一個因子,使電流隨電壓的上升而變慢 。當(dāng)電流足夠大時,外加電壓的增加主要降在串聯(lián)電阻上,電流-電壓近似線性關(guān)系。,30,4。擴(kuò)散電容,反向偏置耗盡層電容占據(jù)了結(jié)電容的大部分,,正向偏置中性區(qū)少數(shù)載流子密度的再分布對結(jié)電容有貢獻(xiàn) -擴(kuò)散電容 。,正向偏置 + 一小的交流信號:,總電壓:,總電流:,可得到耗盡區(qū)邊界的電子和空穴密度隨時間的變化。,將總電壓代入如下方程,31,耗盡區(qū)邊界的空穴密度小信號交流分量:,若 V1kT/q=VT,耗盡區(qū)邊界的電子密度也類似:,直流分量,交流分量,耗盡區(qū)邊界的空穴密度:,32,將pn代入連續(xù)性方程,,或:,考慮到G=0,,33,邊界條件:,N型中性區(qū)寬度LP ,可得到N型中性區(qū)空穴的

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