半導(dǎo)體器件物理課件-pn結(jié)2

第二章PN結(jié)●熱平衡PN結(jié)●加偏壓的PN結(jié)●理想PN結(jié)的直流電流-電壓特性●空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流●隧道電流●I-V特性的溫度依賴關(guān)系●耗盡層電容●PN結(jié)二極管的頻率特性●PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性●PN結(jié)擊穿引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬－半導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PN結(jié)構(gòu)成。PN結(jié)本身也是一種器件－整流器。PN結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握PN結(jié)的物理原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級(jí)接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）。1.PN結(jié)定義：引言2.幾種分類：因此PN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說(shuō)，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過(guò)為了意義更明確，把它們叫做金屬－半導(dǎo)體接觸或金屬－半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。

同質(zhì)結(jié)：由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅）；異質(zhì)結(jié)：由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如硅和鍺）

；同型結(jié)：由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和P-鍺、N-硅和N-鍺）；異型結(jié)：由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)（如P-硅和N-硅、P-鍺和N－鍺）；引言3.采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過(guò)程(a)拋光處理后的型硅晶片(b)采用干法或濕法氧化工藝的晶片氧化層制作

(c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片n-

Si光刻膠SiO2N+（f)腐蝕SiO2后的晶片

引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過(guò)程(g)完成光刻后去膠的晶片

(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）PN結(jié)制作完成

(h)通過(guò)擴(kuò)散（或離子注入）形成PN結(jié)P-

SiN-

SiSiO2N+引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)

1)突變結(jié)：

P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過(guò)渡陡峭單邊突變結(jié)（一側(cè)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)的質(zhì)濃度的突變結(jié)）引言4.突變結(jié)與線性緩變結(jié)

2)線性緩變結(jié)：

在線性區(qū)：兩區(qū)之間雜質(zhì)過(guò)渡是漸變的2.1熱平衡PN結(jié)1.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)恒定原理）在形成結(jié)之前N型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，P型材料中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂。當(dāng)N型材料和P型材料被連接在一起時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)必定恒等。p

n

CE

FE

iE

VE

0yq

漂移

漂移

擴(kuò)散

擴(kuò)散

E

ny

py

（a）在接觸前分開(kāi)的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡1.空間電荷區(qū)濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)：

空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷間產(chǎn)生的電場(chǎng)，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。平衡p-n結(jié)：

載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵時(shí)，所達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡（p-n結(jié)的凈電流為零）。

++++++------空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)形成擴(kuò)散電流并增加空間電荷區(qū)的寬度平衡時(shí)平衡p-n結(jié)形成漂移電流并減小空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定，電流為零多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)2.1熱平衡PN結(jié)2.PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成（熱平衡系統(tǒng)劃分）恒定費(fèi)米能級(jí)的條件是由電子從N型一邊轉(zhuǎn)移至P型一邊，空穴則沿相反方向轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。電子和空穴的轉(zhuǎn)移在N型和P型各邊分別留下未被補(bǔ)償?shù)氖┲麟x子和受主離子。它們是荷電的，固定不動(dòng)的，稱為空間電荷?？臻g電荷存在的區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。（c）與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布2.1熱平衡PN結(jié)3.幾個(gè)概念耗盡近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，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）。在完全耗盡的區(qū)域，自由載流子密度為零。內(nèi)建電勢(shì)差：由于內(nèi)建電場(chǎng)，空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差叫做內(nèi)建電勢(shì)差（用表示）。勢(shì)壘區(qū)：N區(qū)電子進(jìn)入P區(qū)需要克服勢(shì)壘，P區(qū)空穴進(jìn)入N區(qū)也需要克服勢(shì)壘。于是空間電荷區(qū)又叫做勢(shì)壘區(qū)。中性近似：假設(shè)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(jié)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(chǎng)。2.1熱平衡PN結(jié)4.空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差(N型一邊和P型一邊中性區(qū)之間的電位差）方法一：（中性區(qū)電中性條件）由一維泊松方程：取費(fèi)米勢(shì)為零基準(zhǔn)時(shí)：（2-1-2b）由中性區(qū)電中性條件，即電荷的總密度為零。得到：即：（2-1-4）2.1熱平衡PN結(jié)方法一：（中性區(qū)電中性條件）（2-1-5）對(duì)于N型的中性區(qū)，假設(shè)，。即

，連并（2-1-2a）代入（2-1-4）中，得N區(qū)中性區(qū)電勢(shì)為：采用同樣的方法，得到P型中性區(qū)的電勢(shì)為：（2-1-6）因而，在N型一邊與P型一邊中性區(qū)之間的電位差為（2-1-7）2.1熱平衡PN結(jié)方法二：（費(fèi)米能級(jí)恒定）從費(fèi)米能級(jí)恒定的觀點(diǎn)來(lái)看，熱平衡PN結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。形成PN結(jié)之前N區(qū)費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)費(fèi)米能級(jí)高。形成PN結(jié)之后，費(fèi)米能級(jí)恒定要求N區(qū)費(fèi)米能級(jí)相對(duì)P區(qū)費(fèi)米能級(jí)下降，則原費(fèi)米電勢(shì)差

即PN結(jié)中N型與P型中性區(qū)間電勢(shì)差。未形成PN結(jié)之前的N區(qū)（P區(qū)）的電子（空穴）濃度為：可以得到分別的費(fèi)米能級(jí)為：再由熱電勢(shì)，得：方法三：（在平衡狀態(tài)下，凈的空穴電流密度為零）并可進(jìn)一步求出內(nèi)建電勢(shì)為從上式可解出內(nèi)建電場(chǎng)，由于，，故得：2.1熱平衡PN結(jié)5.利用Poisson方程求解單邊突變結(jié)(P+N)SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度N側(cè)Poisson方程：P側(cè)Poisson方程：空間電荷的電中性：空間電荷層寬度：對(duì)于單邊突變結(jié)：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)電荷分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布2.1熱平衡PN結(jié)對(duì)N側(cè)Poisson方程邊界條件：應(yīng)用做一次積分：得：邊界條件：再次積分：2.1熱平衡PN結(jié)很小，由電勢(shì)連續(xù)性，內(nèi)建電勢(shì)差：——擴(kuò)散電勢(shì)或自建電勢(shì)——熱平衡下的勢(shì)壘高度耗盡層寬度：思考：利用Poisson方程求解突變結(jié)SCR（非單邊）內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度2.1熱平衡PN結(jié)6.學(xué)習(xí)要求1)掌握下列名詞、術(shù)語(yǔ)和基本概念：PN結(jié)、突變結(jié)、線性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。2)分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR)SpaceChargeRegion)的形成3)正確畫(huà)出熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2-3a、b）。4)利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式：5)解Poisson方程求解單邊突變結(jié)SCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度。（2-1-7）2.2加偏壓的PN結(jié)1.加偏壓的PN結(jié)的能帶圖1)熱平衡時(shí)2)加正向偏壓時(shí)耗盡層寬度為耗盡層寬度為2.2加偏壓的PN結(jié)加正向偏壓時(shí)遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

和

。偏壓

使熱平衡費(fèi)米能級(jí)分裂，N區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

相對(duì)P區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

上移

。相應(yīng)地，N區(qū)各個(gè)能級(jí)上移

。勢(shì)壘高度降至。在空間電荷區(qū)由于，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)

和

通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)分別不變。在空間電荷區(qū)N側(cè)，空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)從

逐漸升高,最后與準(zhǔn)電子費(fèi)米能級(jí)

相等。這個(gè)空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為空穴擴(kuò)散區(qū)。類似地，在空間電荷區(qū)P側(cè)

逐漸下降,最后與空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)相等。這個(gè)電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)變化的區(qū)域，稱為電子擴(kuò)散區(qū)。2.2加偏壓的PN結(jié)3)加反偏壓時(shí)耗盡層寬度為N區(qū)接正電位，在遠(yuǎn)離PN結(jié)空間電荷區(qū)的中性區(qū)，

及諸能級(jí)相對(duì)P區(qū)

下移

。在空間電荷區(qū)由于載流子耗盡，通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)

和

不變。勢(shì)壘高度增加至，增高的勢(shì)壘阻擋載流子通過(guò)PN結(jié)擴(kuò)散，通過(guò)PN結(jié)的電流非常小，結(jié)的阻抗很高。耗盡層寬度（突變結(jié)）：（2-2-1）2.2加偏壓的PN結(jié)4)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由下降到

打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由上升到

同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì),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)的漂移，因此電流是反向的且很小。2.2加偏壓的PN結(jié)在正偏壓下，外加電壓降低了PN結(jié)的勢(shì)壘，加強(qiáng)了電子從N側(cè)到P側(cè)的擴(kuò)散以及空穴從P側(cè)到N側(cè)的擴(kuò)散。2.少數(shù)載流子的注入與輸運(yùn)1)結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度——N側(cè)和P側(cè)平衡電子濃度——N側(cè)和P側(cè)平衡空穴濃度自建電勢(shì)：（2-2-9）2.2加偏壓的PN結(jié)加上偏壓，結(jié)電勢(shì)變?yōu)椤狽側(cè)和P側(cè)空間電荷層邊緣的電子濃度考慮低水平注入，得：類推得：——（2-2-11,12）空間電荷層邊緣的少數(shù)載流子濃度正向少子注入：當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣反向少子抽?。寒?dāng)PN結(jié)加上反向偏壓時(shí)，在結(jié)邊緣1)結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度2.2加偏壓的PN結(jié)2)空間電荷效應(yīng)和擴(kuò)散近似在注入載流子存在的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足。注入載流子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這種近似稱為擴(kuò)散近似。在擴(kuò)散近似下，穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程。注入PN結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布(2-2-3)空穴電流(2-2-4)(2-2-5)電子電流(2-2-6)2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性1.理想的P-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義1)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)上，耗盡區(qū)以外的半導(dǎo)體是電中性的，這意味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。2)均勻摻雜。無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)，載流子不作漂移運(yùn)動(dòng)。3)空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。4)小注入，即5)半導(dǎo)體非簡(jiǎn)并

一正向電流－電壓特性在N型區(qū)的右側(cè)，由于注入的非平衡少子（空穴）基本復(fù)合消失，少子的擴(kuò)散電流為零，流過(guò)的電流主要是多子－電子的漂移電流少子空穴的濃度很低，其漂移電流可忽略不計(jì)在P型區(qū)的左側(cè)，流過(guò)的電流主要是多子－空穴的漂移電流，少子（電子）的濃度很低，其漂移電流可忽略不計(jì)。中性區(qū)漂移電流漂移電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流復(fù)合復(fù)合N區(qū)P區(qū)N區(qū)：電子在外加電壓的作用下向邊界Xn

漂移，越過(guò)空間電荷區(qū)，經(jīng)過(guò)邊界XP注入P區(qū)，然后向前擴(kuò)散形成電子擴(kuò)散電流，但在電子擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，不斷與從左邊漂移過(guò)來(lái)的空穴復(fù)合而轉(zhuǎn)化為空穴的漂移電流，直到X’P處注入的電子全部復(fù)合，電子擴(kuò)散電流全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭昭ǖ钠齐娏鳌U(kuò)散區(qū)P區(qū)：空穴在外加電壓的作用下向邊界XP漂移，越過(guò)空間電荷區(qū)，經(jīng)過(guò)邊界XN注入N區(qū)，然后向前擴(kuò)散形成空穴擴(kuò)散電流，在空穴擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，空穴擴(kuò)散電流都通過(guò)復(fù)合而轉(zhuǎn)化為電子的漂移電流。擴(kuò)散區(qū)：少子擴(kuò)散電流和多子漂移電流相互轉(zhuǎn)換擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散區(qū)電子電流和空穴電流的大小在PN結(jié)附近擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的各處是不相等的，但兩者之和始終相等。說(shuō)明電流轉(zhuǎn)換并非電流的中斷，而僅僅是電流的具體形式和載流子類型的改變，因此，PN結(jié)內(nèi)的電流是連續(xù)的。則通過(guò)PN結(jié)任意截面的電流都一樣：漂移電流漂移電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流復(fù)合復(fù)合PN結(jié)的IV特性要進(jìn)一步研究PN結(jié)的電流輸運(yùn)情況，需要解決以下問(wèn)題：1.計(jì)算空間電荷區(qū)邊界處的少子濃度2.計(jì)算中性區(qū)少子濃度的空間分布3.計(jì)算空間電荷區(qū)邊界處的少子擴(kuò)散電流4.空間電荷區(qū)的少子電子和少子空穴擴(kuò)散電流的和可以得出空間電荷區(qū)電流直流情況下，又因，故可得N

區(qū)中的空穴擴(kuò)散方程為式中，，稱為空穴的

擴(kuò)散長(zhǎng)度，典型值為

10

m

。2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性2.載流子分布滿足邊界條件解得解穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程P

區(qū)內(nèi)的非平衡少子電子

當(dāng)

N

區(qū)足夠長(zhǎng)(

>>

Lp

)時(shí)，利用

pn(x)的邊界條件可解出系數(shù)

A、B，于是可得

N

區(qū)內(nèi)的非平衡少子空穴的分布為2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性2.載流子分布對(duì)于長(zhǎng)二極管，上式簡(jiǎn)化為PN結(jié)P側(cè)的電子分布為少數(shù)載流子分布2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性3.電流分布對(duì)于長(zhǎng)二極管，空穴注入所引起的擴(kuò)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(xiě)為（2-3-9）2.3理想PN結(jié)的直流電流－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電子電流和空穴電流的大小在PN結(jié)附近擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的各處是不相等的，但兩者之和始終相等。說(shuō)明電流轉(zhuǎn)換并非電流的中斷，而僅僅是電流的具體形式和載流子類型的改變，因此，PN結(jié)內(nèi)的電流是連續(xù)的。則通過(guò)PN結(jié)任意截面的電流都一樣：漂移電流漂移電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流復(fù)合復(fù)合PN結(jié)的IV特性要進(jìn)一步研究PN結(jié)的電流輸運(yùn)情況，需要解決以下問(wèn)題：1.計(jì)算空間電荷區(qū)邊界處的少子濃度2.計(jì)算中性區(qū)少子濃度的空間分布3.計(jì)算空間電荷區(qū)邊界處的少子擴(kuò)散電流4.空間電荷區(qū)的少子電子和少子空穴擴(kuò)散電流的和可以得出空間電荷區(qū)電流2.3理想PN結(jié)的直流電流－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(yuǎn)離PN結(jié)的方向而e指數(shù)地減小。因?yàn)榭傠娏飨鄬?duì)于x來(lái)說(shuō)必定不變，才能滿足電流連續(xù)性。所以多子電流必須隨著x增加而增加，以補(bǔ)償空穴電流的下降。也就是說(shuō)，少子電流通過(guò)電子

空穴對(duì)的復(fù)合不斷地轉(zhuǎn)換為多子電流。電子電流和空穴電流：忽略空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流，得總電流：——二極管飽和電流2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性4.PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)方式(一般是反向飽和電流)理想PN結(jié)飽和電流來(lái)源于擴(kuò)散區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的非平衡少數(shù)載流子。（2-3-21）（2-3-20）二極管飽和電流由電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流兩部分構(gòu)成（2-3-18）（2-3-19）對(duì)于P+N(N+P)單邊突變結(jié)，電子電流（空穴電流）可以忽略與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有密切的關(guān)系。禁帶寬度大，其值越小。在XN~X’N區(qū)域和XP~X’P區(qū)域的少子濃度低于平衡少子濃度，因而產(chǎn)生大于復(fù)合。擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流二反向電流－電壓特性擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流在XN~X’N區(qū)域凈產(chǎn)生的空穴往結(jié)區(qū)擴(kuò)散，到達(dá)空間電荷區(qū)邊界XN處，被電場(chǎng)掃過(guò)空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)，產(chǎn)生的電子以漂移的形式流出Xp~X’p區(qū)。擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流在XP~X’P區(qū)域中凈產(chǎn)生的電子往XP方向擴(kuò)散，一到達(dá)空間電荷區(qū)邊界XP即被電場(chǎng)掃過(guò)空間電荷區(qū)進(jìn)入N區(qū)，產(chǎn)生的空穴則以漂移形式流出XN~X’N

。這樣形成了由N區(qū)流向P區(qū)的PN結(jié)反向電流。在右側(cè)是電子漂移電流，在左側(cè)全部變?yōu)榭昭娏?。擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流+2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性5.反向偏置PN結(jié)的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(jié)空穴擴(kuò)散區(qū)和電子擴(kuò)散區(qū)所發(fā)生的空穴產(chǎn)生電流和電子產(chǎn)生電流2.3理想PN結(jié)的直流電流－電壓特性6.PN結(jié)的典型電流

電壓特性

PN結(jié)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(jié)的單向?qū)щ娦浴?.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流1.復(fù)合電流（在正偏壓的時(shí)候出現(xiàn)）正偏壓使得空間電荷層邊緣處的載流子濃度增加，以致，這些過(guò)量載流子穿越空間電荷層，使得超過(guò)平衡值，因此，在空間電荷層中會(huì)有復(fù)合。復(fù)合電流：考慮最大復(fù)合條件外加電壓V時(shí)，在勢(shì)壘區(qū)中，平衡時(shí)，可見(jiàn)：當(dāng)V=0

時(shí)，np=ni2

，U=0

，不發(fā)生凈復(fù)合；當(dāng)V>0時(shí)，np>ni2

，U>0，發(fā)生凈復(fù)合；當(dāng)V<0時(shí)，np<ni2

，U<0，發(fā)生凈產(chǎn)生。？？ABCD:電子的注入電流，AB段：電子從N區(qū)注入到P區(qū)后，與在B點(diǎn)與從左方來(lái)的空穴C復(fù)合；A’B’C’D’:空穴的注入電流，A’B’段：空穴從P區(qū)注入到N區(qū)后，與在B’點(diǎn)與從右方來(lái)的電子C’復(fù)合；EFGH：PN結(jié)空間電荷區(qū)中復(fù)合中心造成的復(fù)合電流。空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流復(fù)合電流定義為：空間電荷區(qū)的寬度載流子通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率最大復(fù)合率（Et=Ei

時(shí)）：（1-208）Et=Ei可得最大復(fù)合率：其中：（2-4-5）得：最大復(fù)合率為:考慮最大復(fù)合影響外加電壓V一定時(shí)，正向PN結(jié)空間電荷區(qū)中的費(fèi)米能級(jí)注入的擴(kuò)散電流和空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流的區(qū)別：復(fù)合地點(diǎn)不同；在電子或空穴擴(kuò)散區(qū)中電子和空穴一個(gè)是多子，一個(gè)是少子，其濃度相差很大。在空間電荷區(qū)，位于禁帶中央附近的復(fù)合中心能級(jí)處，有Et=Ei，即電子和空穴的濃度基本相等，所以通過(guò)空間電荷區(qū)復(fù)合中心的復(fù)合相對(duì)較強(qiáng)。2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流圖2-11襯底摻雜濃度為1016cm

3的硅擴(kuò)散結(jié)的電流

電壓特性低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)偏壓升高：擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)更高偏壓：串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了（擴(kuò)散電流為主）2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流2.擴(kuò)散電流對(duì)于P+N結(jié)，當(dāng)外加正向電壓且V>>VT

時(shí)，把擴(kuò)散電流記為3.復(fù)合電流與擴(kuò)散電流的比較（對(duì)于P+N結(jié)）上式表明，若越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大；半導(dǎo)體材料的禁帶寬度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大；硅PN結(jié)比鍺PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流大；PN結(jié)輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度愈大，勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流愈大。

PN結(jié)反偏時(shí)，由于空間電荷區(qū)對(duì)載流子的抽取作用，空間電荷區(qū)的載流子濃度低于平衡值（pn

<ni2）

，所以產(chǎn)生率大于復(fù)合率，凈產(chǎn)生率不為零，空間電荷區(qū)內(nèi)存在產(chǎn)生電流。體內(nèi)擴(kuò)散電流來(lái)自PN結(jié)兩側(cè)P區(qū)和N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子和空穴，而空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流，是指空間電荷區(qū)中復(fù)合中心產(chǎn)生出來(lái)的電子－空穴對(duì)形成的電流。二反向PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流CBAD:反向電子擴(kuò)散電流，在P區(qū)通過(guò)復(fù)合中心產(chǎn)生的電子A和空穴B，電子由A擴(kuò)散到PN結(jié)空間電荷區(qū)，并被電場(chǎng)掃到N區(qū)流向右方，而空穴流向左方。C’B’A’D’空穴EFGH：PN結(jié)空間電荷區(qū)中復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被電場(chǎng)分別掃進(jìn)N區(qū)和P區(qū)，這個(gè)產(chǎn)生電流是反向擴(kuò)散電流之外的一個(gè)附加的反向電流。反向電流產(chǎn)生的物理過(guò)程空間電荷區(qū)復(fù)合中心的產(chǎn)生電流不像反向擴(kuò)散電流那樣會(huì)達(dá)到飽和值，而是隨著反向偏壓的增大而增大。這是因?yàn)椋琍N結(jié)空間電荷區(qū)隨著反向偏壓的增大而展寬，處于空間電荷區(qū)的復(fù)合中心數(shù)目增多，所以產(chǎn)生電流增大。U<0

意味著正的產(chǎn)生率，所形成的電流是空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流而不是復(fù)合電流：特點(diǎn)：2.5隧道電流當(dāng)P側(cè)N側(cè)均為重?fù)诫s時(shí)，有些載流子可能穿透（代替越過(guò)）勢(shì)壘而產(chǎn)生額外的電流，這種機(jī)制稱為量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。（1）費(fèi)術(shù)能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2）空間電荷層的寬度很窄，因而有較高的隧道穿透率；（3）在相同的能量水平上，在一側(cè)的能帶中有電子而在另一側(cè)的能帶中有空狀態(tài)。條件：當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，這些條件就得到滿足

隧道二極管是因?yàn)橛煤写罅侩s質(zhì)的本征半導(dǎo)體制作PN結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達(dá)到擴(kuò)散電位之前，由于隧道效應(yīng)而發(fā)生電流流動(dòng)。若接近擴(kuò)散電位，則為通常的二極管特性，所以如圖所示，在正向電壓低的范圍，顯示出負(fù)的電阻。隧道二極管的電壓電流特性

隧道二極管的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)特性好，速度快、工作頻率高；缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。一般應(yīng)用于某些開(kāi)關(guān)電路或高頻振蕩等電路中。(1)隧道結(jié)未加電壓時(shí)的能帶圖如右圖所示。這時(shí)P區(qū)價(jià)帶和n區(qū)導(dǎo)帶雖然具有相同能量的量子態(tài)，但是n區(qū)和p區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相等，在結(jié)的兩邊，費(fèi)米能級(jí)以下沒(méi)有空量子態(tài)，費(fèi)米能級(jí)以上的量子態(tài)沒(méi)有電子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對(duì)應(yīng)于特性曲線上的o點(diǎn)

各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖圖(a)

(2)加一很小的正向電壓v，n區(qū)能帶相對(duì)于p區(qū)將升高qv，如右圖所示，這時(shí)結(jié)兩邊能量相等的量子態(tài)中，p區(qū)價(jià)帶的費(fèi)米能級(jí)以上有空量子態(tài)，而n區(qū)導(dǎo)帶的費(fèi)米能級(jí)以下有量子態(tài)被電子占據(jù)，因此n區(qū)導(dǎo)帶中的電子可能穿過(guò)隧道到p區(qū)價(jià)帶中，產(chǎn)生從p區(qū)向n區(qū)的正向隧道電流，這時(shí)對(duì)應(yīng)于特性曲線上的點(diǎn)1

圖(b)各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖(3)繼續(xù)增大正向電壓，勢(shì)壘高度不斷下降，有更多的電子從n區(qū)穿過(guò)隧道到p區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大。當(dāng)正向電流增大到Ｉp時(shí)，這時(shí)P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)與n區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價(jià)帶中能量相同的量子態(tài)達(dá)到最多，n區(qū)的導(dǎo)帶中的電子可能全部穿過(guò)隧道到p區(qū)價(jià)帶中的空量子態(tài)去，正向電流達(dá)到極大值Ｉp，這時(shí)對(duì)應(yīng)于特性曲線的點(diǎn)2.(4)再增大正向電壓，勢(shì)壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)減少，使n區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過(guò)隧道的電子數(shù)以及p區(qū)價(jià)帶中可能接受穿過(guò)隧道的電子的空量子態(tài)均減少，如右圖所示，這時(shí)隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻，如特性曲線上的點(diǎn)3

圖(d)(5)正向偏壓增大到vv時(shí)，n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價(jià)帶頂一樣高，如右圖所示，這時(shí)p區(qū)價(jià)帶和n區(qū)導(dǎo)帶中沒(méi)有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應(yīng)該減少到零，對(duì)應(yīng)于特性曲線上的點(diǎn)4。但實(shí)際上在vv時(shí)正向電流并不完全為零，而是有一個(gè)很小的谷值電流Ｉv.實(shí)驗(yàn)證明，谷值電流基本上具有隧道電流的性質(zhì)。

(6)對(duì)硅、鍺p-n結(jié)來(lái)說(shuō)，正向偏壓大于vv時(shí)，一般地?cái)U(kuò)散電流就開(kāi)始成為主要的，這時(shí)隧道結(jié)和一般p-n結(jié)的正向特性基本一樣；(7)加反向偏壓時(shí)，p區(qū)能帶相對(duì)n區(qū)能帶升高，如圖所示,p區(qū)中的價(jià)帶電子可以穿過(guò)隧道到n區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，p區(qū)價(jià)帶中可以穿過(guò)隧道的電子數(shù)大大增加，故反向電流也迅速增加，如特性曲線上的點(diǎn)5所示。

2.5隧道電流6.隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性（1）隧道二極管是利用多子的隧道效應(yīng)工作的。由于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)結(jié)的多數(shù)載流子的數(shù)目起伏較小，因此隧道二極管具有較低的噪聲。（2）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道二級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過(guò)程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子渡越時(shí)間的限制，因此可以在極高頻率下工作。這種優(yōu)越的性能，使隧道二級(jí)管能夠應(yīng)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(yīng)用兩端有源器件的困難以及難以把它們制成集成電路的形式，隧道二極管的利用受到限制。1.PN結(jié)處于正向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響總電流（擴(kuò)散電流）：（2-3-16）復(fù)合電流：（2-4-5）得：（2-6-1）式中隨溫度的增加而迅速增加，可見(jiàn)在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（Si

0.3V）就使占優(yōu)勢(shì)。

2.PN結(jié)處于反向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響（2-6-2）隨著溫度增加，增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是在正向還是反向偏置，PN結(jié)的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特性的溫度效應(yīng)：（2-3-18）（2-4-9）3.PN結(jié)處于反向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。

（2-6-3）對(duì)T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以，得到（2-6-4）反映了反偏壓情況下，二極管I－V特性的溫度效應(yīng)。20

40

60

80

100

101

102

103

100

VR=6V

T°C

4.PN結(jié)處于正向偏置2.6溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響?。?-6-5）導(dǎo)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(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，常用來(lái)精確測(cè)溫和控溫低頻，pn結(jié)有整流作用；高頻，無(wú)整流作用pn結(jié)電容破壞整流特性pn結(jié)電容包括耗盡層(勢(shì)壘)電容和擴(kuò)散電容1.勢(shì)壘電容平衡pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)正偏時(shí)勢(shì)壘區(qū)變窄2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管正偏V,空間電荷，部分電子和空穴存入勢(shì)壘區(qū)正偏V

,空間電荷，部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中取出反偏V,空間電荷，部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中取出反偏V,空間電荷，部分電子和空穴存入勢(shì)壘區(qū)耗盡層的空間電荷數(shù)量隨外加V而變化，和一個(gè)電容器的充放電作用相似，這種pn結(jié)的電容效應(yīng)稱為耗盡層(勢(shì)壘)電容。勢(shì)壘電容是可變電容，可引入微分電容的概念來(lái)描述C

隨V

變

耗盡層電容

已經(jīng)證明耗盡層寬度是偏置電壓的函數(shù)，由于在結(jié)的兩個(gè)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(hào)電容：得：（2-7-3）C稱為過(guò)渡電容或耗盡層電容有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容耗盡層電容

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

常用關(guān)系：

（2-7-7）21C

0y

RV

1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)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)分布未知的PN結(jié)中，可以利用電容

電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的雜質(zhì)分布，此稱求雜質(zhì)分布。考慮任意雜質(zhì)分布：（2-7-8）x

()xN

()WN

W

dW

式中

是在空間電荷層邊緣處的雜質(zhì)濃度。由泊松方程，電場(chǎng)增量是與電荷增量之間具有如下關(guān)系：電場(chǎng)增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：

（2-7-9）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：

——?jiǎng)輭倦娙莅眩?-7-9）式至（2-7-11）式代入（2-7-8）式并將結(jié)果重新整理得到（2-7-12）（2-7-11）3.求雜質(zhì)分布的程序

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管在不同反偏壓下測(cè)量電容：用（2-7-11）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度：畫(huà)出相對(duì)的曲線。從此曲線中取并將其結(jié)果代入（2-7-12）式計(jì)算出畫(huà)出完整的雜質(zhì)分布注意：倘若出現(xiàn)高密度的陷阱中心和界面態(tài)，如硅中摻金情形，前面的分析必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的狀態(tài)。

3.求雜質(zhì)分布的程序

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(jì)算機(jī)算出的結(jié)果3.求雜質(zhì)分布的程序

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(jì)算機(jī)算出的結(jié)果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(jiàn)反向偏置的PN結(jié)可以作為電容使用在LC調(diào)諧電路中。專門(mén)為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。結(jié)型二極管的電容

電壓方程可寫(xiě)成

：對(duì)于單邊突變結(jié)，，如式（2-7-3）中所表示。

4.變?nèi)荻O管

2.7耗盡層電容求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個(gè)P-N結(jié)電容的LC電路，其諧振頻率可表示為（2-7-13）在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓之間有線性關(guān)系，也就是說(shuō)，要求。當(dāng)

PN

結(jié)的外加電壓為時(shí)，

2.8.1交流小信號(hào)下的擴(kuò)散電流

則

PN

結(jié)的擴(kuò)散電流也具有如下形式

2.8PN

結(jié)的頻率特性與擴(kuò)散電容

ω

為角頻率，式中，V0為直流電壓，V0>>kT/q

V1為迭加在直流偏壓上的交流小信號(hào)電壓振幅，V1<<kT/q上式中，由于，可利用近似公式得：以

N

區(qū)中的空穴擴(kuò)散電流為例，取

N

區(qū)與勢(shì)壘區(qū)的邊界為坐標(biāo)原點(diǎn)，由結(jié)定律可得邊界(x=0)處的少子濃度為即x=0處的少子濃度由直流分量和交流小信號(hào)分量組成，并可得到

x

=0處少子濃度直流分量和交流小信號(hào)分量的邊界條件分別為

在ω

不太高的情況下，可以假設(shè)在

N

區(qū)內(nèi)任意位置

x

處，pn

(x,t)也由直流分量和交流小信號(hào)分量組成，即將此pn

(x,t)代入空穴擴(kuò)散方程并將方程分拆成不含和含的兩個(gè)方程，即解第一個(gè)方程可得到p0(x)，代入空穴電流密度方程中，可得到空穴擴(kuò)散電流密度中的直流分量，即前面已求得的

Jdp

同理，電子擴(kuò)散電流密度中的直流分量為，于是可得

PN

結(jié)正向擴(kuò)散電流中的

直流分量

為解第二個(gè)擴(kuò)散方程結(jié)合少子濃度交流小信號(hào)分量的邊界條件，得到p1(x)，代入空穴電流密度方程，得到空穴擴(kuò)散電流密度的交流分量，同理，電子擴(kuò)散電流密度的交流分量為于是可得

PN

結(jié)正向擴(kuò)散電流中的

交流分量

為式中，

PN

結(jié)的

小信號(hào)交流導(dǎo)納

為在的情況下，由近似公式，得式中，

2.8.2交流導(dǎo)納與擴(kuò)散電容，就是

PN

結(jié)的

擴(kuò)散電容。由上式可見(jiàn)，CD與正向直流偏流成正比，即，為PN

結(jié)的

直流增量電導(dǎo)，對(duì)于

P+N

單邊突變結(jié)，

可見(jiàn)

CD也是取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度。N區(qū)：（同時(shí)產(chǎn)生）

擴(kuò)散電容的物理意義P區(qū)：（同時(shí)產(chǎn)生）P區(qū)N區(qū)勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容的比較勢(shì)壘區(qū)中電離雜質(zhì)電荷隨外加電壓的變化率；正負(fù)電荷在空間上是分離的；與直流偏壓成冪函數(shù)關(guān)系；正偏反偏下均存在，可作電容器使用；要使

CT↓，應(yīng)使

A↓，xd↑

（N↓,反偏↑）。中性區(qū)中非平衡載流子電荷隨外加電壓的變化率；正負(fù)電荷在空間上是重疊的；與直流電流成線性關(guān)系，與直流偏壓成指數(shù)關(guān)系；只存在于正偏下；要使

CD↓，應(yīng)使

IF↓（A↓，正偏↓），

↓。圖中

gl

為

漏電導(dǎo)，取決于

PN

結(jié)的加工質(zhì)量與清潔程度，rs

為

寄生串聯(lián)電阻。這兩個(gè)都是非本征元件。

2.8.3二極管的交流小信號(hào)等效電路2.8PN結(jié)二極管的頻率特性空穴分布：1.少子邊界條件（2-8-3）在PN結(jié)邊緣N側(cè)處，（2-8-7）對(duì)于采用近似：得：（2-8-3）式中：少子的邊界條件為:

（2-8-11）2.8PN結(jié)二極管的頻率特性在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）2.8PN結(jié)二極管的頻率特性3.交流少子分布（2-8-14）N區(qū)空穴交流分量對(duì)于長(zhǎng)二極管（

）

（2-8-13）2.8PN結(jié)二極管的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）2.8PN結(jié)二極管的頻率特性4.交流電流（2-8-15）（2-8-20）總的交流電流

而空穴電流：

注入到P區(qū)電子交流分量：

得：

（2-8-18）2.8PN結(jié)二極管的頻率特性5.二極管的交流導(dǎo)納二極管的交流導(dǎo)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分。

直流電導(dǎo)也叫做擴(kuò)散電導(dǎo)，其倒數(shù)叫做PN結(jié)擴(kuò)散電阻。稱為P-N結(jié)擴(kuò)散電容。其性質(zhì)如下：1、擴(kuò)散電容在PN結(jié)正偏壓情況下出現(xiàn)。偏壓愈高，擴(kuò)散電容愈大。反偏PN結(jié)不存在貯存電荷，因此不表現(xiàn)出擴(kuò)散電容；2、工作電流愈大，擴(kuò)散電容愈大；3、對(duì)于高頻情形，存貯電荷跟不上結(jié)電壓的變化、很小，對(duì)于

低頻情況，擴(kuò)散電容特別重要；4、減少少子壽命（硅材料中摻金）可以有效地減小擴(kuò)散電容。2.8PN結(jié)二極管的頻率特性6.二極管的等效電路

在許多應(yīng)用中，總是根據(jù)在使用條件下半導(dǎo)體器件各部分的物理作用，用電阻，電容，電流源和電壓源等組成一定的電路來(lái)達(dá)到等效器件的功能。這種電路叫做等效電路。PN結(jié)小信號(hào)交流等效電路如圖2-20所示?！谋M層電容——串聯(lián)電阻——擴(kuò)散電容——直流電導(dǎo)2.8PN結(jié)二極管的頻率特性7.學(xué)習(xí)要求掌握概念：交流導(dǎo)納擴(kuò)散電導(dǎo)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散電容等效電路掌握解擴(kuò)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2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.二極管的開(kāi)關(guān)作用PN結(jié)二極管處于正向偏置時(shí)，允許通過(guò)較大的電流，處于反向偏置時(shí)通過(guò)二極管的電流很小，因此，常把處于正向偏置時(shí)二極管的工作狀態(tài)稱為開(kāi)態(tài)，而把處于反向偏置時(shí)的工作狀態(tài)叫作關(guān)態(tài)?？梢?jiàn)結(jié)二極管能起到開(kāi)關(guān)作用。2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性2.PN結(jié)的反向瞬變電流和電壓的延遲現(xiàn)象源于PN結(jié)的電荷貯存效應(yīng)2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性3.PN結(jié)二極管的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)PN結(jié)加一恒定的正向偏壓時(shí)，載流子被注入并保持在結(jié)二極管中，在擴(kuò)散區(qū)建立確定的非平衡少數(shù)載流子分布，這種現(xiàn)象稱為電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)正向偏壓突然轉(zhuǎn)至反向偏壓時(shí)，在穩(wěn)態(tài)條件下所保持的載流子并不能立刻消除。2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性4.PN結(jié)反向瞬變的定性解釋

到則沿X軸的正方向，于是電流反向。

1、在處注入的載流子濃度結(jié)界面不斷下降，注入載流濃度的梯度2、注入的非平衡少子的濃度梯度不變，因此反向電流變成反向電流的原因。

為常量。這就解釋了當(dāng)偏壓由立即變成擴(kuò)散電流之后，但在這一段時(shí)間內(nèi)，由于在減小，因此平衡少子被去除完畢，于是結(jié)電壓為零。

仍然大于面上，因此PN結(jié)兩端的電壓3、在也在減小，當(dāng)時(shí)，可以認(rèn)為，即全部注入的非2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性PN結(jié)反向瞬變的定性解釋

在，因而也愈來(lái)愈小，因此也愈來(lái)愈小，電流和電壓波形中出現(xiàn)“尾巴”。（即達(dá)到穩(wěn)定的反偏狀態(tài)之后）由于反向偏壓PN結(jié)的抽取作用，在面上達(dá)到反向偏壓PN結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的分布狀況，2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性5.PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

考慮長(zhǎng)P+N結(jié)二極管的電荷貯存效應(yīng)。

N側(cè)的總貯存電荷定義為（2-9-1）對(duì)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

2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性PN結(jié)反向瞬變的定量分析（電荷控制分析方法

）

在

為在全部貯存電荷被去除（定義貯存時(shí)間）所需要的時(shí)間，從而

通過(guò)解依賴于時(shí)間的連續(xù)性方程進(jìn)行精確分析得到的是（2-9-7）（2-9-8）

2.9PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性6.階躍恢復(fù)二極管反向瞬變波形可以通過(guò)在二極管中引入一自建場(chǎng)進(jìn)行修正。例如若在P+N二極管輕摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度為

（2-9-9）自建電場(chǎng)為