半導(dǎo)體器件物理之物理電流-電壓特性.ppt

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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(shì)分布和載流子濃度分布 3 熱平衡時(shí) 波耳茲曼關(guān)系 本征能級(jí)電勢(shì) 費(fèi)米能級(jí)電勢(shì) 熱平衡時(shí) 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(fèi)米能級(jí)梯度 熱平衡狀態(tài) 6 正向和反向偏置下的能帶圖 電勢(shì)分布 7 結(jié)上的靜電勢(shì)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(shí) 邊界的少數(shù)載流子濃度比平衡時(shí)要大 反向偏壓時(shí)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(shí) 對(duì)N區(qū) 凈復(fù)合率 利用電中性 nn nn0 pn pn0 結(jié)合愛(ài)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(wú)電場(chǎng)的中性區(qū) 進(jìn)一步簡(jiǎn)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(duì)數(shù)坐標(biāo) 15 溫度對(duì)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(xiàng)相比 前面一項(xiàng)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(guò)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(chǎng) 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(guò)程 載流子發(fā)射過(guò)程 產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程對(duì)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(guò)程 載流子俘獲過(guò)程 產(chǎn)生 復(fù)合速率 17 電子 空穴對(duì)的產(chǎn)生率 有效壽命 pn ninn ni 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(jí)Et靠近本征費(fèi)米能級(jí)的產(chǎn)生中心 對(duì)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很小 例如Si 產(chǎn)生電流占優(yōu)勢(shì)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(shí)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(guò)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(shí) 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 V 3kT q時(shí) 有 總的正向電流 實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般可用經(jīng)驗(yàn)公式 復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì) n 2 擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì) n 1 兩種電流相當(dāng) 1 n 2 復(fù)合電流 理想系數(shù) 23 實(shí)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(chǎng)和載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 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(shí)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(chǎng) 大注入使擴(kuò)散系數(shù)加倍 26 N區(qū)有電場(chǎng) 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(shí) 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(lái)的exp qV kT 變成exp qV 2kT 28 工作在不同電流密度下Sip n結(jié)的載流子濃度 本征費(fèi)米能級(jí) 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 電流密度 10A cm2103A cm2104A cm2 p n結(jié) 29 在大注入時(shí) 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(gè)因子 使電流隨電壓的上升而變慢 當(dāng)電流足夠大時(shí) 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(duì)結(jié)電容有貢獻(xiàn) 擴(kuò)散電容 正向偏置 一小的交流信號(hào) 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(shí)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(hào)交流分量 若V1 kT 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)空穴的交流分量 x xn處 空穴電流密度 34 總交流電流密度 交流導(dǎo)納 x xp處 電子電流密度 35 頻率比較低 p n 1 擴(kuò)散電導(dǎo) 低頻擴(kuò)散電容 歸一化擴(kuò)散電導(dǎo)和擴(kuò)散電容與 的關(guān)系