晶體管原理第二章

晶體管原理第二章第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

平衡狀態(tài)：PN

結(jié)內(nèi)部的溫度均勻穩(wěn)定，不存在外加電壓、光照、磁場、輻射等外作用。

2.1PN

結(jié)的平衡狀態(tài)第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.1空間電荷區(qū)的形成空穴擴散：P區(qū)N區(qū)電子擴散：P區(qū)N區(qū)擴散電流方向為，P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)NA-，pp0ND+，nn0內(nèi)建電場空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)NA-ND+NA-pp0ND+nn0第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.2內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢與耗盡區(qū)寬度第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月PN以上的E(x)

就是

PN

結(jié)的

內(nèi)建電場。1.N區(qū)P區(qū)的電場為第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

Vbi

與摻雜濃度、溫度及半導(dǎo)體的材料種類有關(guān)。在常用的摻雜濃度范圍和室溫下，硅的Vbi

約為0.75V

。（2-13）對內(nèi)建電場作積分可得

內(nèi)建電勢Vbi

2、內(nèi)建電勢

第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月可求出

N

區(qū)與

P

區(qū)的耗盡區(qū)寬度

：

3、耗盡區(qū)寬度

總的耗盡區(qū)寬度

：第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.3能帶圖

第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月N區(qū)P區(qū)由圖可見，電子從

N

區(qū)到

P

區(qū)必須克服一個高度為

qVbi的勢壘，空穴從

P

區(qū)到

N

區(qū)也必須克服一個同樣高度的勢壘，所以耗盡區(qū)也被稱為“勢壘區(qū)”。PN第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2

PN

結(jié)的直流電流電壓方程

PN

結(jié)二極管的直流電流電壓特性曲線第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月面積為Vbi

2.2.1

外加電壓時載流子的運動情況外加正向電壓

V后，PN結(jié)勢壘高度由

qVbi降為

q(Vbi-V)，

使擴散電流大于漂移電流，形成正向電流。由于正向電流的電荷來源是

N區(qū)電子和

P區(qū)空穴，它們都是多子，所以正向電流很大。PNx0平衡時外加正向電壓時外加電場內(nèi)建電場面積為Vbi-V第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月VP區(qū)N區(qū)0正向電流密度由三部分組成：

1、空穴擴散電流密度

Jdp

(在

N區(qū)中推導(dǎo)）

2、電子擴散電流密度

Jdn

(在

P區(qū)中推導(dǎo)）

3、勢壘區(qū)復(fù)合電流密度

Jr

(在勢壘區(qū)中推導(dǎo)）第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月外加反向電壓V(V<0)后，PN結(jié)的勢壘高度由qVbi

增高到q(Vbi

-V)，xd

與都增大。PNx0平衡時外加反向電壓時外加電場內(nèi)建電場面積為Vbi

-V面積為Vbi多子面臨的勢壘提高了，難以擴散到對方區(qū)域中去了，但少子更容易被反向電場拉入對方區(qū)域，從而形成反向電流。由于反向電流的電荷來源是少子，所以反向電流很小。第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月VP區(qū)N區(qū)0反向電流密度也由三部分組成：

1、空穴擴散電流密度

Jdp

2、電子擴散電流密度

Jdn

3、勢壘區(qū)產(chǎn)生電流密度

Jg（Jg與

Jr可統(tǒng)稱為

Jgr

)

第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

以上兩式常被稱為“結(jié)定律”，對正、反向電壓均適用。但在正向時只適用于小注入。2.2.2結(jié)定律在

N

型區(qū)與耗盡區(qū)的邊界處，在

P

型區(qū)與耗盡區(qū)的邊界處，第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.3擴散電流

第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月外加正向電壓時PN結(jié)中的少子分布圖為P區(qū)N區(qū)注入

N區(qū)的非平衡空穴，在

N區(qū)中

一邊擴散一邊復(fù)合

，其濃度隨距離作指數(shù)式衰減。衰減的特征長度就是空穴的擴散長度

Lp。每經(jīng)過一個

Lp的長度，非平衡空穴濃度降為

1/e

。

第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月P區(qū)N區(qū)外加反向電壓時PN結(jié)中的少子分布圖為

N區(qū)中勢壘區(qū)附近的少子空穴全部被勢壘區(qū)中的強大電場拉向

P區(qū)，

所以空穴濃度在勢壘區(qū)邊界處最低，隨距離作指數(shù)式增加，在足夠遠處恢復(fù)為平衡少子濃度。減少的空穴由

N區(qū)內(nèi)部通過熱激發(fā)產(chǎn)生并擴散過來補充。

第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN結(jié)總的擴散電流密度（N區(qū)內(nèi)的空穴擴散電流+P區(qū)內(nèi)的電子擴散電流）

Jd

為當(dāng)V=0

時，Jd=0

，當(dāng)V>>kT/q時，當(dāng)V<0且|V|>>kT/q時，Jd=-J0第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月室溫下硅

PN結(jié)的

J0值約為

10-10A/cm2的數(shù)量級。IVI00

J0乘以

PN結(jié)的結(jié)面積

A，得：反向飽和電流

第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.4勢壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流請同學(xué)自己看書復(fù)習(xí)第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.5薄基區(qū)二極管本小節(jié)的結(jié)果在第

3

章中有重要用途。第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

薄基區(qū)二極管

是指，PN結(jié)的某一個或兩個

中性區(qū)的長度小于少子擴散長度。PNWB0這時其擴散電流

Jd

會因為少子濃度的邊界條件不同而有所不同。但勢壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流Jgr

的表達式無任何變化。解擴散方程得到的N區(qū)中的非平衡少子分布為第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對于薄基區(qū)二極管，WB<<Lp

，利用近似公式

N區(qū)中的非平衡少子：上式對正、反向電壓都適用。類似地可得P區(qū)中的非平衡少子分布np(x)的表達式。薄基區(qū)二極管中的少子分布圖為第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.3大注入效應(yīng)

大注入條件：注入某區(qū)邊界附近的非平衡少子濃度遠大于該區(qū)的平衡多子濃度。第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月在

N區(qū)中

xn

附近，或在

P區(qū)中（-

xp）附近，N區(qū)第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)發(fā)生大注入時，PN結(jié)的電流電壓關(guān)系為這時，PN

結(jié)的

lnI~V

特性曲線的斜率，將會從

小注入時的

(q/kT)

過渡到

大注入時的(q/2kT)

。

第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.4PN

結(jié)的擊穿雪崩倍增隧道效應(yīng)熱擊穿擊穿現(xiàn)象擊穿機理：電擊穿第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.4.1雪崩擊穿

反向電壓可使被碰撞的價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生一對新的電子空穴對，這就是

碰撞電離。碰撞電離主要發(fā)生在反偏PN結(jié)的耗盡區(qū)中。之后,新的載流子再被加速,再與原子碰撞,又繼續(xù)產(chǎn)生一對新的電子空穴對…….,這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對于突變結(jié)，可見，禁帶寬度EG越大，則擊穿電壓

VB越高；約化雜質(zhì)濃度N0

越低，VB越高。對于單邊突變結(jié)，N0

就是低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度，因此

擊穿電壓也取決于低摻雜一側(cè)，該側(cè)的雜質(zhì)濃度越低，則

VB越高。第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對于線性緩變結(jié)，第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)面曲率半徑的影響由擴散工藝所形成的PN結(jié)，在結(jié)面的四周和四角會形成柱面與球面。結(jié)深xj

越小，曲率半徑就越小，電場就越集中，擊穿電壓VB也就越低，且多發(fā)生在表面而不是體內(nèi)。第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.4.2齊納擊穿

隧道效應(yīng)：由于電子具有波動性，可以有一定的幾率穿過勢壘。勢壘越薄，隧道效應(yīng)就越明顯。由于存在隧道效應(yīng)，使價帶中不具有

EG能量的A點電子可有一定的幾率穿過隧道到達導(dǎo)帶中的B點，從而進入

N區(qū)形成反向電流。電子能量電子動能x第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著反向電壓的提高，增大，隧道長度d縮短，使反向電流增大。當(dāng)反向電壓增大到使達到臨界值時，d

變的足夠小，使反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象就稱為

齊納擊穿，或

隧道擊穿。硅和鍺PN結(jié)的齊納擊穿臨界電場分別為1200kV/cm和200kV/cm。第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月反向電壓V↑→功率PC

=VI0↑→結(jié)溫Tj↑→I0↑當(dāng)Tj

不受控制的不斷上升時，將導(dǎo)致PN結(jié)的燒毀，這就是

熱擊穿。熱擊穿是破壞性的，不可逆的。

2.4.3熱擊穿式中V為反向電壓，Tj

為PN結(jié)的結(jié)溫。第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料的禁帶寬度

EG越大，則

I0越小，熱穩(wěn)定性就越好，因此硅PN結(jié)的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鍺PN結(jié)。由于

PN結(jié)的反向電流

I0極小，所以功率損耗

PC也極小，一般并不容易發(fā)生熱擊穿。實際上熱擊穿往往發(fā)生在已經(jīng)出現(xiàn)電擊穿，因而反向電流比較大的情況下?；蛘甙l(fā)生在正向時，因為正向電流不但很大，而且也有正的溫度系數(shù)。

第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘電容CT

2.5PN

結(jié)的勢壘電容PN結(jié)電容擴散電容CD第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.5.1勢壘電容的定義

當(dāng)外加電壓有(-V)的變化時，勢壘區(qū)寬度發(fā)生變化，使勢壘區(qū)中的空間電荷也發(fā)生相應(yīng)的Q

的變化，如下圖。P區(qū)N區(qū)

PN

結(jié)勢壘微分電容CT

的定義為簡稱為

勢壘電容。（2-126）

第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

勢壘電容CT可以表示為（2-127）

第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.5.2突變結(jié)的勢壘電容

于是可得：式中，（2-130）

根據(jù)勢壘電容的定義，第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.5.3線性緩變結(jié)的勢壘電容當(dāng)外加較大