1、第二章第二章 P-NP-N結(jié)結(jié)半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 引言引言 PNPN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬半結(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)型器件都有導(dǎo)體接觸器件外，所有結(jié)型器件都有PNPN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。PNPN結(jié)結(jié)本身也是一種器件整流器。本身也是一種器件整流器。PNPN結(jié)含有豐富的物理知結(jié)含有豐富的物理知識(shí)，掌握識(shí)，掌握PNPN結(jié)的物理原理是學(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件結(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)。正因?yàn)槿绱耍锢淼幕A(chǔ)。正因?yàn)槿绱耍?PNPN結(jié)一章在半導(dǎo)體器件結(jié)一章在半導(dǎo)體器件物理課的物理課的6464學(xué)時(shí)的教學(xué)中占有學(xué)時(shí)的教學(xué)中占有

2、1616學(xué)時(shí)，為總學(xué)時(shí)的四學(xué)時(shí)，為總學(xué)時(shí)的四分之一。分之一。 由由P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸（原子級(jí)接型半導(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)叫做觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PNPN結(jié)。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)任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸都稱為結(jié)（junctionjunction）, ,有時(shí)也叫做接觸（有時(shí)也叫做接觸（contactcontact）. . 引言引言 由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)（如硅），由不同由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由同種種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺

3、）。由同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)（如導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)（如P-P-硅和硅和P-P-型硅、型硅、P-P-硅和硅和P-P-型鍺），由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)型鍺），由不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)（如構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)（如P-P-硅和硅和N-N-硅、硅、P-P-硅和硅和N N鍺）。因此鍺）。因此PNPN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型結(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，金屬和半導(dǎo)同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說，金屬和半導(dǎo)體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過為了意義更明確，把它們體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)

4、（叫做金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)（M-SM-S結(jié)）。結(jié)）。 引言引言 70年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)： 1950年美國人奧爾（年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊）和肖克萊(Shockley)發(fā)發(fā)明的離子注入工藝。明的離子注入工藝。 1956年美國人富勒（年美國人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的擴(kuò)散工藝。）發(fā)明的擴(kuò)散工藝。 1960年盧爾（年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的外延工藝。發(fā)明的外延工藝。 1970年斯皮勒（年斯皮

5、勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路造技術(shù)進(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。和微電子學(xué)飛速發(fā)展的今天。 上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測(cè)試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。 引言引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程 N Si N+ (a)拋光處理后的型硅晶片 N+ (b)采用干法或濕法氧化 工藝的

6、晶片氧化層制作 光刻膠 N Si SiO2 N+ (c)光刻膠層勻膠及堅(jiān)膜 （d)圖形掩膜、曝光 光刻膠 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+ n Si P Si N Si 光刻膠 SiO2SiO2 N+ N+ (e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片 引言引言 N Si SiO2 N+P Si N Si SiO2金屬 N+N Si SiO2 N+N Si P Si SiO2金屬 金 屬 N+(g)完成光刻后去膠的晶片 (h)通過擴(kuò)散（或離子注入）形成 P-N結(jié)(i)蒸發(fā)/濺射金屬 （j） P-N 結(jié)制作完成 采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程 引言引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

7、 （a）突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線） NaNd0 x xj-axNaNd0 x Na-Nd xj（b）線性緩變結(jié)近似（實(shí)線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）圖 2.2 引言引言0, ( ), ( )jajdxxN xNxxN xN 突變結(jié)： 線性緩變結(jié)：在線性區(qū) ( )N xax 2.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)2.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié) FE CE VE p n CE VE FE p n CE FE iE VE 0q 漂移 漂移 擴(kuò)散 擴(kuò)散 E n p （a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖 （b）接觸后的能帶圖圖2-32.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)n 型電中性區(qū)

8、 p 型電中性區(qū) 邊界層 邊界層 耗盡區(qū) （c） 與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布 圖2-32.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)adNN x x x aNdN dN -aN px m 0 （a） （b） （c） 0 nx 0 圖2-4 單邊突變結(jié) （a）空間電荷分布 （b）電場(chǎng)（c）電勢(shì)圖 單邊突變結(jié)電荷分 布、電場(chǎng)分布、電 勢(shì)分布 2.1 2.1 熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié)小結(jié)小結(jié) 名詞、術(shù)語和基本概念：名詞、術(shù)語和基本概念： 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)、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。耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)

9、建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。 分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋了分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋了PN結(jié)空間電荷區(qū)（結(jié)空間電荷區(qū)（SCR）的）的形成形成 。 介紹了熱平衡介紹了熱平衡PN 結(jié)的能帶圖（圖結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）及其畫法。）及其畫法。 利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式利用中性區(qū)電中性條件導(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式: 20lniadTpnnNNV2.12.1熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié) 小結(jié)小結(jié) 解解PoissonPoisson方程求解了方程求解了PNPN結(jié)結(jié)SCRSCR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：內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建

10、電勢(shì)差和耗盡層寬度： nmxx10kxqNndm20212nndxxkxqN2002dnqN xk21002dnqNkxW（2-14） （2-16） （2-15） （2-17） （2-18） 擴(kuò)展知識(shí)：習(xí)題擴(kuò)展知識(shí)：習(xí)題2.2 2.52.2 2.52.12.1熱平衡熱平衡PNPN結(jié)結(jié) 教學(xué)要求 掌握下列名詞、術(shù)語和基本概念：掌握下列名詞、術(shù)語和基本概念：PNPN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)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。、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。 分別采用費(fèi)米能級(jí)和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)解釋分

11、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PNPN結(jié)空間電荷區(qū)（結(jié)空間電荷區(qū)（SCR) SCR) 的形成的形成 正確畫出熱平衡正確畫出熱平衡PN PN 結(jié)的能帶圖（圖結(jié)的能帶圖（圖2.3a2.3a、b b）。）。 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：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： （2-72-7） 解解PoissonPoisson方程求解單邊突變結(jié)結(jié)方程求解單邊突變結(jié)結(jié)SCRSCR內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度。并記憶公式（盡層寬度。并記憶公式（2-142-14）（2-182-18） 作業(yè)題：作業(yè)題：2.2 2.2

12、 、 2.4 2.4 、 2.52.5、2.72.7、2.102.1020lniadTpnnNNV2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié)2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 2.2.12.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖加偏壓的結(jié)的能帶圖 b + V Vq0 FpE FnE qV W （E） FnE N P W FE CE （a） 能量 （E） N P 能量 （ ）q0 圖圖2.5 2.5 單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布（a）熱平衡，耗盡層寬 度為 W （b）加正向電壓，耗盡 層寬度WW2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 2.2.1加偏壓

13、的結(jié)的能帶圖加偏壓的結(jié)的能帶圖 P + RV RI 能量 （E） RVq0 RqV W （c ） N （c）加反向電壓，耗盡層寬度加反向電壓，耗盡層寬度WW W 圖圖2.5 2.5 單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布單邊突變結(jié)的電勢(shì)分布2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 注入注入P P+ +-N-N結(jié)的結(jié)的N N側(cè)的空穴及其所造成的電子分側(cè)的空穴及其所造成的電子分布布 ，圖2-7 注入NP 結(jié)的N側(cè)的空穴 及其所造成的電子分布 x nn 15010nn 312100cmn xnq x np 5010np 312100cmp xpq 2.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 耗盡層寬度隨外加反偏壓變化

14、的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果 102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 VVR, 1016 1018 31410cmNbc (a) 102 10 1.0 101 102 102 101 1.0 10 102 103 W m VVR, 1018 1016 31410cmNbc (b) 圖 2-6 耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果 （a）mxj1和（b）mxj10 假設(shè)為erfc分布且3200/10cmN 2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 小結(jié) 名詞、術(shù)語和基本概念：名詞、術(shù)語和基本

15、概念： 正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū)正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū) 介紹了加偏壓介紹了加偏壓PN結(jié)能帶圖及其畫法結(jié)能帶圖及其畫法 根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕焊鶕?jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕?正偏壓正偏壓V V使得使得PNPN結(jié)結(jié)N N型中性區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于型中性區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于P P型中性區(qū)的升高型中性區(qū)的升高qVqV。在。在P P型型中性區(qū)中性區(qū) 。在空間電荷區(qū)由于。在空間電荷區(qū)由于n n、pnpni i，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)不變即等，可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)不變即等于于 。在。在N N型中性區(qū)型中性區(qū) 。同樣，在空間電荷區(qū)。同樣，在空間電荷區(qū) = =

16、 ，于是從空間于是從空間電荷區(qū)兩側(cè)開始分別有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)從電荷區(qū)兩側(cè)開始分別有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)從 逐漸升高到逐漸升高到 和從和從 逐漸下降逐漸下降到到 的區(qū)域。的區(qū)域。這就是這就是P P側(cè)的電子擴(kuò)散區(qū)和側(cè)的電子擴(kuò)散區(qū)和N N側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。能帶圖的根據(jù)）。 FEFPEFPEFPEFEFNEFEENEENEFNEFPE2.2 2.2 加偏壓的加偏壓的 P-N P-N 結(jié)結(jié) 小結(jié)在在電電子子擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)區(qū)和空穴和空穴擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)區(qū)， 不等于常不等于常數(shù)數(shù)，根據(jù)修正，根據(jù)修正歐歐姆定律必有姆定律必有電電流流產(chǎn)產(chǎn)生，由于生，由于 ，電電流沿流沿x x

17、軸軸正方向，即正方向，即為為正向正向電電流。又由于在空流。又由于在空間電間電荷荷區(qū)邊區(qū)邊界注入的非平衡少子界注入的非平衡少子濃濃度很大，因此在空度很大，因此在空間電間電荷荷區(qū)邊區(qū)邊界界電電流密度也很大流密度也很大( (J J ) ) 離離開開空空間電間電荷荷區(qū)邊區(qū)邊界界隨隨著距離的增加注入的非平衡著距離的增加注入的非平衡少子少子濃濃度越度越來來越小（越小（e e指指數(shù)減數(shù)減少），少），電電流密度也越流密度也越來來越小。越小。 反偏反偏壓壓- - 使得使得PNPN結(jié)結(jié)N N型中性型中性區(qū)區(qū)的的費(fèi)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)相相對(duì)對(duì)于于P P型中性型中性區(qū)區(qū)的降低的降低q q 。擴(kuò)擴(kuò) 散散區(qū)費(fèi)區(qū)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)的

18、梯度小于零，因此的梯度小于零，因此會(huì)會(huì)有反向有反向電電流流產(chǎn)產(chǎn)生。由于空生。由于空間電間電荷荷區(qū)電場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)的抽取的抽取作用，在作用，在擴(kuò)擴(kuò)散散區(qū)載區(qū)載流子很少，流子很少， 很小，因此很小，因此雖雖然有很大的然有很大的 費(fèi)費(fèi)米能米能級(jí)級(jí)梯梯度，度，電電流卻很小且流卻很小且趨趨于于飽飽和。和。FE0 xEFxx)(RVPqxpxP)()(FEPqxpxP)()(RV2.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 小結(jié) 根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕焊鶕?jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕?正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由正偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 下降到下降到 -V-V打破了打破了PNP

19、N結(jié)的熱平衡，使載結(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)差由荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差由 上升到上升到 +V+V同樣打破了同樣打破了PNPN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)這種漂移是移運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)這種漂移是N N區(qū)少子空穴向區(qū)少子空穴向P P區(qū)和區(qū)和P P區(qū)少子電子向區(qū)少子電子向N N區(qū)的漂移，因區(qū)的漂移，因此電流是反向的且很小。此電流是反向的且很小。 在反偏壓下，耗盡層寬度為在反偏壓下，耗盡層寬度為 000021002dRqNVkW（2-23） 2.2 加偏

20、壓的 P-N 結(jié) 小結(jié)小結(jié) 根據(jù)根據(jù) （2-72-7） 給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度： （2-292-29） 和和 （2-302-30） 在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于被中和，不帶電，通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似。于被中和，不帶電，通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程 20lniadTpnnNNVTVVppenn0TVVnnepp02.2 加偏壓的 P-N 結(jié) 教學(xué)要求 掌握名詞、術(shù)語和

21、基本概念：正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū)掌握名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴(kuò)散近似、擴(kuò)散區(qū) 正確畫出加偏壓正確畫出加偏壓PN結(jié)能帶圖。結(jié)能帶圖。 根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦愿鶕?jù)能帶圖和修正歐姆定律分析結(jié)的單向?qū)щ娦?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娦愿鶕?jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)分析結(jié)的單向?qū)щ娦?掌握反偏壓下突變結(jié)，耗盡層寬度公式（掌握反偏壓下突變結(jié)，耗盡層寬度公式（2-232-23） 導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式導(dǎo)出少數(shù)載流子濃度公式 （2-292-29）和（）和（2-302-30）v 作業(yè)：作業(yè)：2-11、2-12、2-1321002dRqNVkW2.3

22、 2.3 理想理想P-NP-N結(jié)的直流電流結(jié)的直流電流- -電壓特性電壓特性2.3 2.3 理想理想P-NP-N結(jié)的直流電流結(jié)的直流電流- -電壓特性電壓特性 理想的理想的P-NP-N結(jié)的基本假設(shè)及其意義結(jié)的基本假設(shè)及其意義 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。味著忽略中性區(qū)的體電阻和接觸電阻。 均勻摻雜。無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子不作漂移運(yùn)動(dòng)。均勻摻雜。無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子不作漂移運(yùn)動(dòng)。 空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。空間電荷區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合電流和產(chǎn)生電流。 小注入，即小注入

23、，即 和和 半導(dǎo)體非簡并半導(dǎo)體非簡并 TVVnnepp00nnTVVppenn00PP2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性 正向偏壓情況下的的正向偏壓情況下的的P-NP-N結(jié)結(jié) x 0 載流子濃度 P型 N型 np pn 0np 0np 空間電荷層 nx px x 0 少數(shù)載流子電流 pI nI nx px x x 0 npIII pI pI nI nI nx px 圖2-8 正向偏壓情況下的的P-N結(jié)（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2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性反向偏壓情況下的的反向偏壓情況下的的P-NP-N結(jié)結(jié)x x 0 載流子濃度 P型 N型

24、 np pn 0np 0pn 空間電荷層 nx px x x 少數(shù)載流子電流 pI nI 0 nx px x x npIII pI pI nI nI 0 nx px NP（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圖2-9 反向偏壓情況下的的P-N結(jié) 2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性PNPN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式： （1） （2-49a） （2） （2-49b）（3） （2-49c）（4） （2-49d） npnpnpLnqADLpqADI00020ianndppnNLDNLDqAIKTEanndppVCgeNLDNLDNqANI0nnpp

25、pnLnLpqAI0002.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性小結(jié)小結(jié) 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)PNPN結(jié)二極管中載流子分布滿足擴(kuò)散方程。結(jié)二極管中載流子分布滿足擴(kuò)散方程。 解擴(kuò)散方程求得滿足邊界條件的解解擴(kuò)散方程求得滿足邊界條件的解 （N側(cè)空穴分布）側(cè)空穴分布） pnnpnVVnnnLxWLxWepppTsinhsinh100nxx （2-37） 對(duì)于長二極管，上式簡化為對(duì)于長二極管，上式簡化為 pnTLxxVVnnneeppp100P-NP-N結(jié)結(jié)P P側(cè)的電子分布為側(cè)的電子分布為 （2-38） npTLxxVVpppeennn100nxx pxx（2-43） 2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性小

26、結(jié)小結(jié) 電流分布：少子注入引起的電流常稱為擴(kuò)散電流。在長二極管中電流分布：少子注入引起的電流常稱為擴(kuò)散電流。在長二極管中空穴電流分布為：空穴電流分布為： pnLxxnppexIInxx （2-42）電子電流分布為：電子電流分布為： npLxxpnnexIIpxx（2-47）其中其中10TVVpnnpnenLqADxI10TVVnppnpepLqADxI（2-46）（2-41）2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性 小結(jié)小結(jié) 電流電壓公式（電流電壓公式（ShockleyShockley公式）公式） PNPN結(jié)的典型電流結(jié)的典型電流 電壓特性電壓特性 10TVVeIInpnpnpLnqADLpq

27、ADI000（2-48） （2-49a） vV mAI 0.6 5 10 0I 2.3 理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性教學(xué)要求教學(xué)要求 了解理想了解理想PN結(jié)基本假設(shè)及其意義。結(jié)基本假設(shè)及其意義。 導(dǎo)出公式（導(dǎo)出公式（2-37）。）。 根據(jù)公式（根據(jù)公式（2-37）導(dǎo)出長）導(dǎo)出長PN結(jié)和短結(jié)和短PN結(jié)少子分布表達(dá)式。結(jié)少子分布表達(dá)式。 導(dǎo)出公式（導(dǎo)出公式（2-48）、（）、（2-49)。 記憶公式（記憶公式（2-49） 根據(jù)公式（根據(jù)公式（2-49d）解釋理想）解釋理想PN結(jié)反向電流的來源。結(jié)反向電流的來源。 畫出正、反偏壓下畫出正、反偏壓下PN結(jié)少子分布、電流分布和總電流示意圖。結(jié)少子分布

28、、電流分布和總電流示意圖。v 作業(yè)：（作業(yè)：（2-11）、（）、（2-12）、（）、（2.13）2.42.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流2.42.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)低偏壓：空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì) 偏壓升高：偏壓升高： 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì) 更高偏壓：更高偏壓： 串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了串聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了 2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 圖2-11 襯底摻雜濃度為1016cm3的硅擴(kuò)散結(jié)的電流電壓特性 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

29、 0.6 0.7 1010 109 108 107 106 105 104 103 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 串聯(lián)電阻 斜率KTq 斜率KTq2 I （A） V （V） 2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)復(fù)合電流與非平衡載流子注入引起的擴(kuò)散電流的比較：空間電荷區(qū)復(fù)合電流與非平衡載流子注入引起的擴(kuò)散電流的比較： 對(duì)于對(duì)于P P+ +-N-N結(jié)，把擴(kuò)散電流記為，結(jié)，把擴(kuò)散電流記為， TTVVipVVdpipdenqALeNLnDqAI022TTVVRVVireceIeWqAnI2202（2-50） 而 （2-57） 于是 2ec2TpVVdirdLIneIWN（2-59）

30、 上式表明，若上式表明，若 越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。越小，電壓愈低，則勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流的影響愈大。 diNn2.42.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 小結(jié)小結(jié) 概念概念 空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流空間電荷區(qū)正偏復(fù)合電流 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)反偏產(chǎn)生電流反偏產(chǎn)生電流 式中式中W W為空間電荷區(qū)寬度，為空間電荷區(qū)寬度，U U為空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率，為空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的復(fù)合率， G G為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率。為空間電荷區(qū)載流子產(chǎn)生率。 WrecUdxqAI0（2-53） 0WrecIqAGdx（2-61） 2.4空間

31、電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 小結(jié)小結(jié) 空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件：空間電荷區(qū)載流子通過復(fù)合中心復(fù)合的最大復(fù)合率條件： 正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為：正偏復(fù)合電流和反偏產(chǎn)生電流分別為： TVVienpn2（2-54） TVVienU20max2（2-56） TTVVRVVireceIeWqAnI220202AWqnWUqAIiG由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的。由于空間電荷層的寬度隨著反向偏壓的增加而增加因而反向電流是不飽和的。（2-57） （2-61） 考考慮慮空空間電間電荷荷區(qū)區(qū)正偏復(fù)合電流正偏復(fù)合電流

32、和和 串聯(lián)電阻的影響的實(shí)際串聯(lián)電阻的影響的實(shí)際I IV V曲線曲線 最大復(fù)合率為最大復(fù)合率為: :2.4空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和產(chǎn)生電流 教學(xué)要求 理解并掌握概念：正偏復(fù)合電流理解并掌握概念：正偏復(fù)合電流 反偏產(chǎn)生電流反偏產(chǎn)生電流 推導(dǎo)公式（推導(dǎo)公式（2-542-54）、（）、（2-572-57）、（）、（2-612-61）。）。 理解低偏壓下復(fù)合電流占優(yōu)，隨著電壓增加擴(kuò)散電流越來越成為主要成分。理解低偏壓下復(fù)合電流占優(yōu)，隨著電壓增加擴(kuò)散電流越來越成為主要成分。 2.5 隧道電流隧道電流2.52.5隧道電流隧道電流 產(chǎn)生隧道電流的條件產(chǎn)生隧道電流的條件（1 1）費(fèi)米

33、能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2 2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3 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)的能帶中有空的）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)的能帶中有空的 狀態(tài)。狀態(tài)。當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡并半導(dǎo)體時(shí)，（當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡并半導(dǎo)體時(shí)，（1 1）、（）、（2 2）條件滿足。）條件滿足。外加偏壓可使條件（外加偏壓可使條件（3 3）滿足。）滿足。 2.5隧道電流隧道電流圖2-12 各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖 2.5隧道電流隧道電流圖

34、2-12 各種偏壓條件下隧道結(jié)的能帶圖 2.5隧道電流隧道電流簡化的隧道穿透幾率是簡化的隧道穿透幾率是hqmTBei328exp23（2-62） WEB（2-63） 把式把式（2-632-63）代入代入（2-622-62）得到得到 21238expBeiqmhWT（2-64） 則隧道電流可為則隧道電流可為ithnTqAvI （2-65） 式中式中 為隧道電子的速度。為隧道電子的速度。 thv2.5隧道電流隧道電流若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流若摻雜密度稍予減少，使正向隧道電流可予忽略，電流 電壓曲線則將被改變電壓曲線則將被改變成示于圖成示于圖2-14b2-14b中的情形。這稱

35、為反向二極管中的情形。這稱為反向二極管。 Bq I 0 x Wx 圖2-13 對(duì)應(yīng)于圖2-12正偏 壓隧道結(jié)的勢(shì)壘I V ）（e ）（a ）（b ）（c ）（d V I （a）江崎二極管 電流-電壓特性（b）反向二極管 電流-電壓特性圖2-142.5隧道電流隧道電流隧道二極管的特點(diǎn)和應(yīng)用上的局限性隧道二極管的特點(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)通過結(jié)的多數(shù)）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。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的簡并

36、半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，由于溫度對(duì)多子的影響小，使隧道二二 級(jí)管的工作溫度范圍大。級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，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。路以及低噪音微波放大

37、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極管的利用受到限制 。2.5隧道電流隧道電流 小結(jié)小結(jié) 產(chǎn)生隧道電流的條件產(chǎn)生隧道電流的條件：（1 1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶或價(jià)帶的內(nèi)部；（2 2）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；）空間電荷層的寬度很窄，因而有高的隧道穿透幾率；（3 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)的能帶中有空的）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)的能帶中有空的 狀態(tài)。狀態(tài)。 當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s

38、，從而成為簡并半導(dǎo)體時(shí)，（當(dāng)結(jié)的兩邊均為重?fù)诫s，從而成為簡并半導(dǎo)體時(shí)，（1 1）、（）、（2 2）條件滿足。）條件滿足。外加偏壓可使條件（外加偏壓可使條件（3 3）滿足）滿足。 畫出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級(jí)管的畫出了偏壓變化的能帶圖并根據(jù)能帶圖解釋了隧道二級(jí)管的IV曲線。曲線。2.52.5隧道電流隧道電流 小結(jié)小結(jié) 分析了隧道二級(jí)管的特點(diǎn)和局限性分析了隧道二級(jí)管的特點(diǎn)和局限性：（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)通過結(jié)的多數(shù)）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。載流子的數(shù)

39、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的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對(duì)多子的影響小，使隧）隧道結(jié)是用重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對(duì)多子的影響小，使隧 二級(jí)管的工作溫度范圍大。二級(jí)管的工作溫度范圍大。（3）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，不受電子）由于隧道效應(yīng)的本質(zhì)是量子躍遷過程，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)

40、多諧振蕩器，高速邏輯電 路以及低噪聲微波放大器。路以及低噪聲微波放大器。 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。極管的利用受到限制。 2.52.5隧道電流隧道電流 教學(xué)要求 了解了解產(chǎn)生隧道電流的條件。產(chǎn)生隧道電流的條件。 畫出能帶圖解釋畫出能帶圖解釋隧道二極管的隧道二極管的IV特性。特性。 了解隧道二極管的特點(diǎn)和局限性。了解隧道二極管的特點(diǎn)和局限性。 2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系

41、當(dāng)當(dāng)P-NP-N結(jié)處于反向偏置時(shí)結(jié)處于反向偏置時(shí) 10TVVeII20ianndppnNLDNLDqAI202TVVirecqAnWIeTVVianndpprecdenNLDNLDWII202（2-662-66）式中）式中 隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時(shí)，不太大的正偏隨溫度的增加而迅速增加，可見在高于室溫時(shí)，不太大的正偏壓（壓（ 0.3V0.3V）就使）就使 占優(yōu)勢(shì)。占優(yōu)勢(shì)。 有有 （2-48） （2-49b） （2-57） indI（2-66） 2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系當(dāng)當(dāng)P-NP-N結(jié)處于反向偏置時(shí)結(jié)處于反向偏置時(shí)， ， 0IIdiannd

42、pprecdnNLDNLDWII02（2-67） 隨著溫度增加，隨著溫度增加， 增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。增大，也是擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)。反向偏反向偏壓壓情情況況下，二下，二極極管管 特性的特性的溫溫度效度效應(yīng)應(yīng)： inVI 20ianndppnNLDNLDqAI（2-49b） 相對(duì)來說，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。相對(duì)來說，括號(hào)內(nèi)的參量對(duì)溫度變化不靈敏。 KTEigeTnI0320（2-68） 2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系式（式（2-682-68）對(duì)）對(duì)T T求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以求導(dǎo)，所得的結(jié)果除以 ，得到，得到0I20200031KTEKTETdTdIIgg

43、（2-69） 在正向偏置情在正向偏置情況況下，取下，取 ，導(dǎo)導(dǎo)出出 TVVeII0dTdIIVTVdTdVTI001常數(shù)TVTVVdTdIIIdTdI001常數(shù)（2-70） （2-71） 將將（2-692-69）式代入（）式代入（2-702-70）和（）和（2-712-71）式中，得到）式中，得到 TqEVdTdVg0和和201KTqVEdTdIIg（2-72） （2-73） 2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖硅二極管正向和反向兩種偏壓下的溫度依賴關(guān)系示于圖2-152-15和圖和圖2-162-16中中 I ， A 0

44、.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 10-5 20 40 60 80 100 101 102 103 100 VR=6V 150C 25C 55C T C V V 圖2-15硅平面二極管電流電 壓特性的溫度效應(yīng)圖2-16在硅PN結(jié)二極管中反 向飽和電流與溫度的關(guān)系2.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系 小結(jié)小結(jié) 討論了討論了PNPN結(jié)結(jié)I IV V特性的溫度依賴關(guān)系即溫度對(duì)特性的溫度依賴關(guān)系即溫度對(duì)I IV V特性的影響特性的影響 根據(jù)公式（根據(jù)公式（2-682-68）反向電流隨溫度升高而增加。）反向電流隨溫度升高而增

45、加。 給定電壓，電流隨溫度升高而迅速增加。對(duì)于硅二極管，在室溫（給定電壓，電流隨溫度升高而迅速增加。對(duì)于硅二極管，在室溫（300K300K）時(shí)，每增加時(shí)，每增加 ，電流約增加，電流約增加1 1倍。倍。 電壓隨溫度線性地減小，對(duì)于硅二極管，系數(shù)約為電壓隨溫度線性地減小，對(duì)于硅二極管，系數(shù)約為 。 結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，這一特性被用來精確測(cè)溫和控溫。結(jié)電壓隨溫度變化十分靈敏，這一特性被用來精確測(cè)溫和控溫。 C010CmV0/22.6 I-V2.6 I-V特性的溫度依賴關(guān)系特性的溫度依賴關(guān)系 教學(xué)要求教學(xué)要求 了解了解PNPN結(jié)結(jié)I IV V特性的溫度依賴關(guān)系。特性的溫度依賴關(guān)系。 推導(dǎo)公式（推

46、導(dǎo)公式（2-682-68）、（）、（2-722-72）、（）、（2-732-73） v 作業(yè)：作業(yè)：2-192-19。 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)莺谋M層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管二極管2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 耗盡層電容耗盡層電容 dRdNVqKAWqANQ002RdVdQC 21002RdVNqkAC（2-742-74）（2-752-75）（2-762-76）C C稱為過渡電容或耗盡層電容有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容：稱為過渡電容或耗盡層電容有時(shí)亦稱為勢(shì)壘電容： PNPN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。結(jié)空

47、間電荷區(qū)空間電荷隨外加偏壓變化所引起的電容。 常用常用 關(guān)系：關(guān)系： 21 CRV020221RdVANqKC（2-772-77）2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 圖2-17NP 二極管的電容電壓（ CV ）特性 圖2-18 NP 結(jié)的n側(cè)的任意雜質(zhì)分布 21C 0 RV x xN WN W dW 1 1、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。、根據(jù)該圖中的直線斜率可以計(jì)算出施主濃度。2 2、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處、使直線外推至電壓軸可求出自建電壓。在截距處 RV02.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層

48、電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 求雜質(zhì)分布求雜質(zhì)分布 在雜質(zhì)分布未知的在雜質(zhì)分布未知的P-NP-N結(jié)中，可以利用電容結(jié)中，可以利用電容 電壓曲線描繪出輕摻雜一邊的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。看圖雜質(zhì)分布。此稱求雜質(zhì)分布。看圖2.182.18所示未知雜質(zhì)分布：所示未知雜質(zhì)分布： dWWqANdQ （2-782-78）式中式中 是在空間電荷層邊緣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電荷增量之間具有如下關(guān)系：具有如下關(guān)系： WNWAkdQd0（2-792-79）電場(chǎng)增量偏壓增量的具有如下關(guān)系：電場(chǎng)增量偏壓增

49、量的具有如下關(guān)系： WdVd（2-802-80）2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管由（由（2-792-79）和（）和（2-802-80）式得到）式得到 CWAkdVdQ0（2-812-81）C C即為過渡電容。即為過渡電容。 把（把（2-792-79）式至（）式至（2-812-81）式代入（）式代入（2-782-78）式并將結(jié)果重新整理得到）式并將結(jié)果重新整理得到 dVCdAqkWN220112（2-822-82）求雜質(zhì)分布的程序求雜質(zhì)分布的程序： 在不同反偏壓下測(cè)量電容：在不同反偏壓下測(cè)量電容：1,23,C C C 123,V V V 2.7

50、 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管雜質(zhì)分布的程序雜質(zhì)分布的程序： 用（用（2-812-81）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度）式求出以上不同反偏壓下的空間電荷區(qū)寬度 ： 畫出畫出 相對(duì)相對(duì) 的曲線。的曲線。 從此從此 曲線中取曲線中取 并將其結(jié)果代入（并將其結(jié)果代入（2-822-82）式計(jì)算出）式計(jì)算出 。 畫出完整的雜質(zhì)分布畫出完整的雜質(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)。必須加以修正，以適應(yīng)這些荷電的

51、狀態(tài)。 123,W W W W21 CV21 CVC21 WN WN2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，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)果示于圖由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖2-192-19中。中。 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 52 5 2 25 BCNV 有效范圍 ：31033102pF/2 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 3010NNBC 有效范圍：31043103pF/2 2 （a） （b）

52、 10jx 5 2 1 5 . 0 10jx 5 2 1 5 . 0 圖2-19 對(duì)于擴(kuò)散的硅NP結(jié)二極管，在各種結(jié)深jx的情況下，單位面積電容C相對(duì)總結(jié)電壓V除以本底濃度BCN的關(guān)系 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，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)果示于圖由勞倫斯和沃納用計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果示于圖2-192-19中。中。 圖2-19 對(duì)于擴(kuò)散的硅NP結(jié)二極管，在各種結(jié)深jx的情況下，單位面積電容C相對(duì)總結(jié)電壓V除以本底濃度BCN的關(guān)系 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV

53、4010NNBC 有效范圍：31053104pF/2 2 101310510410171016101510141032 5 2 5 5 5 2 2 5 5 2 2 BCNV 5010NNBC 有效范圍：31063105pF/2 2 2 5 （c） （d） 5 10jx 5 2 1 5 . 0 10jx 5 2 1 5 . 0 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管例題例題 考慮在考慮在 的襯底上通過硼的兩步擴(kuò)散制成的的襯底上通過硼的兩步擴(kuò)散制成的 P-N結(jié)。硼的結(jié)。硼的表面濃度為表面濃度為 ，結(jié)深為，結(jié)深為 。假設(shè)自建電勢(shì)為。假設(shè)自建電勢(shì)為 ，求在

54、，求在 反偏壓下的反偏壓下的結(jié)結(jié)電容。電容。解：因?yàn)榻猓阂驗(yàn)?，以及，以及 所以有所以有 。 此外此外 利用圖利用圖2-19b2-19b求出求出 315102cmNd31810cmm5V8 . 0V5315102cmNBC318010cmN30102NNBC15150109 . 21028 . 5BCRNV23104cmpFC 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 根據(jù)根據(jù) 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管21002RdVNqkAC（2-762-76） 可見反向偏置的可見反向偏置的P-NP-N結(jié)可以作為電容使用在結(jié)可以作為電容使用在LCLC調(diào)諧電路中。專門為

55、此目的制調(diào)諧電路中。專門為此目的制造的二極管稱為變?nèi)荻O管。造的二極管稱為變?nèi)荻O管。 結(jié)型二極管的電容結(jié)型二極管的電容 電壓方程可寫成電壓方程可寫成 ：nRVCC00（2-832-83）對(duì)于單邊突變結(jié)，對(duì)于單邊突變結(jié)， ，如式（，如式（2-762-76）中所表示。）中所表示。 21n2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管包括一個(gè)包括一個(gè)P-NP-N結(jié)電容的結(jié)電容的LCLC電路，其諧振頻率可表示為電路，其諧振頻率可表示為0201LCVLCnRr 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，也就在電路應(yīng)用中，總是希望在諧振頻率和控制電壓

56、之間有線性關(guān)系，也就是說，要求是說，要求 。2n（2-832-83）2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 小結(jié)小結(jié) 概念：耗盡層電容概念：耗盡層電容 ：PNPN結(jié)空間電荷隨偏壓變化引起的電容。結(jié)空間電荷隨偏壓變化引起的電容。 求雜質(zhì)分布求雜質(zhì)分布 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 給出了耗盡層電容公式（給出了耗盡層電容公式（2-762-76）、（）、（2-812-81）。）。 給出了求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。給出了求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。 介紹了使用圖表介紹了使用圖表2-192-19求電容的方法。求電容的方法。 介紹了介紹了 變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原

57、則。變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則。 2.7 2.7 耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管耗盡層電容，求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管 教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管掌握概念：耗盡層電容、求雜質(zhì)分布、變?nèi)荻O管 記憶耗盡層電容公式（記憶耗盡層電容公式（2-762-76）、（）、（2-812-81）。）。 掌握掌握C CV V關(guān)系：關(guān)系： 公式（公式（2-772-77）及其應(yīng)用。）及其應(yīng)用。 推導(dǎo)求雜質(zhì)分布公式（推導(dǎo)求雜質(zhì)分布公式（2-822-82）。）。 掌握求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。掌握求雜質(zhì)分布的概念及求解程序。 掌握使用圖表掌握使用圖表2-192-19求電容的方法。求

58、電容的方法。 了解變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則。了解變?nèi)荻O管的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)原則。v 作業(yè)：作業(yè)：2.17 2.17 2.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析2.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析 器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。器件處理連續(xù)波時(shí)所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性。在小信號(hào)工在小信號(hào)工作時(shí)，信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說，就是器件內(nèi)作時(shí)，信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性關(guān)系，從物理上說，就是器件內(nèi)部的載流子分布的變化跟得上信號(hào)的變化部的載流子分布的變化跟得上信號(hào)的變化。 tjaevV（2-852-85） 若外加交流信號(hào)電壓若外加交流信號(hào)電壓

59、，則滿足小信號(hào)條件，則滿足小信號(hào)條件少子邊界條件少子邊界條件 空穴分布空穴分布寫寫作作 avTVj tnnnnapxpxp e（2-912-91）在在P-NP-N結(jié)邊緣結(jié)邊緣N N側(cè)側(cè) 處，由（處，由（2-302-30）式）式 nxx 0,Tv Vnnnpx tp e（2-862-86）2.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析 對(duì)于對(duì)于 1 1 得到得到 式中式中 TaVvtjannnnepxptxp1,（2-882-88）TVVnnnepxp0（2-892-89）TVVTanaeVvpp01（2-902-90）少子的邊界條件為少子的邊界條件為: : xxxppnaa012.82.8小訊號(hào)交流

60、分析小訊號(hào)交流分析二交流少子連連續(xù)性方程二交流少子連連續(xù)性方程： 在在N N型中性區(qū)，把空穴分布型中性區(qū)，把空穴分布 （2-912-91）（2-922-92）（2-932-93）代入代入連續(xù)連續(xù)性方程性方程 tjannepxptxp，pnnnpnptxpxtxpDttxp022，2220aapd ppdxL式中式中pppjLL1（2-942-94）得得2.82.8小訊號(hào)交流分析小訊號(hào)交流分析交流少子分布交流少子分布 N N區(qū)空穴交流分量區(qū)空穴交流分量 （2-952-95）（2-962-96）對(duì)對(duì)于于長長二二極極管（管（ ） pnnpnaaLxWLxWppsinhsinh1nWpLpnaaLxx