第二章-PN-结二极管演示教学

2.3 PN结的电击穿
二、隧道击穿 反向偏压升高 P区价带顶高于 N区导带底 当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 形成电子空穴对 这种效应称 “隧道效应”
EC P+区
EV
一般：
N+区
隧道击穿的电压较低， 如 Si PN 结，VB < 4.5 V
势 垒
雪崩击穿的电压较高， 如 Si PN 结，VB > 6.7 V
（3）小电流下，正向电流比理论值大；要考虑势垒复合电流的 影响。
（4）大电流下，正向电流比理论值小，势垒区以外存在大注入 自建电场。 IF与 eqVF2KT成 正 比 。
（5）反向电流比理论值大；要考虑表面漏电流及势垒产生电流 JG的影响。
（6）当T升高时，JF增大，JR增大。
2.1 直流特性
2.1.6 大注入 1.大注入定义：正偏工作，注入载流子密度等于或
第二章-PN-结二极管
2.1 直流特性 2.1.1 非平衡PN结
处于一定偏置状态下的PN结称为非平衡PN结。
当P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为正向 PN结。反之，则称反向PN结。
2.1 直流特性
2.1.2、正向PN结 （1）少子注入 正向电压使 势垒区宽度变窄、
势垒高度变低 外加电场与内建电场方向相反
（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子 浓度远低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。
（2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区 以外为电中性区。
（3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。 通过势垒区的电流密度不变。
（4）忽略半导体表面对电流的影响。 （5）只考虑一维情况。
2.1 直流特性
二.坐标 以xn、xp为坐标原点分 别建立坐标系。
2.2 频率特性和开关特性 小信号等效电路
2.3 PN结的电击穿
2.3.1 PN结击穿的含义
PN结反向电压超 过某一数值时，反向 电流急剧增加的现象 称为“PN结击穿”， 这时的电压称为击穿 电压（VR）
I
VR V
2.3 PN结的电击穿 2.3.2 产生击穿的机构
产生击穿的机制
雪崩效应
Βιβλιοθήκη Baidu隧道效应
2.1.3 反向PN结 （1）反向PN结的少子抽取
反向电压使 势垒区宽度变宽 势垒高度变高
外加电场与内建电场方向相同
增强空间电荷区中的电场
破坏扩散漂移运动平衡
漂移运动强于扩散运动 抽取少子
Ln
Lp
2.1 直流特性
P区 jp
(2)反向PN结中载流子的运动
Ln
N区
jn Lp
2.1 直流特性
2.1.4 V-I 特性方程 一、理想PN结模型
空间电荷区中的电场减弱 破坏扩散与漂移运动间的 平衡
扩散运动强于漂移运动 注入少子 注入的少子边扩散边复合
2.1 直流特性
P区
（2）正向PN结中载流子的运动
电流在 N 型区中主要由电子携带
jn
电流在 P 型区中主要由空穴携带
Ln
通过 PN 结的电流存在电流载体 转换的现象
N区 jp
Lp
2.1 直流特性
同理：jn
qn0
Dn Ln
jn
qnP0
exp
qV kT
1
Dn Ln
2.1 直流特性
2.1 直流特性
肖克莱方程
I I0 eqVA /kT 1
I0
A
qDP Pn0 LP
qDnnp0 Ln
2.1 直流特性
单边结近似
对于P+N结 NA>>ND
IIPAqD L P P P n0eqV F/kTAq L D pN Pn D i2eqV F/kT
对于N+P结 ND>>NA
IInAqD L nn nP 0eqV F/kTAq L D nN nn A i2eqV F/kT
2.1 直流特性
2.1.5 V-I特性方程的讨论
（1） I I0 (e q V A /k T 1 ) I0 e q V A /k T
（2） W n=L pW p=L n IF A q D W P N P n 0 q D W n P n P 0 (e q V F /k T 1 )
步骤： 求解“非少子”的扩散
方程 →求“非少子”浓度的
边界值 →求“非少子”浓度梯
度 →分别求电子、空穴的
扩散电流密度 →求PN结电流
2.1 直流特性
2.1 直流特性
PN结N区边界处少子扩散电流密度：
由：jp
qp0
Dp Lp
jp
q
pn0
exp
qV kT
1
Dp Lp
PN结P区边界处少子扩散电流密度：
区
非破坏性可逆击穿
2.3 PN结的电击穿 三、热击穿 热损耗局部升温电流增加
破坏性击穿
习题
1.考虑T=300K时的单边P+N硅二极管，其掺杂浓度为 Na=1018cm-3.设计出该pn结使得VR=3.5V时， Cj=0.95pF。计算出VR=1.5V时的势垒电容。
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大于平衡多子的工作状态。 2. 大注入效应： 内建电场，加速 电导调制效应
2.2 频率特性和开关特性 基本概念
➢
频率特性
➢
大信号工作
➢
小信号工作
2.2 频率特性和开关特性 PN结大信号工作特点：
ID-VA特性，CD-VA特性以及CT-VA特性都是非线性的
PN结小信号工作特点：
信号电流与信号电压之间满足线性变化关系
热效应
2.3 PN结的电击穿
一、雪崩击穿
PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子－空穴 新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增
硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为 105～106 V / cm 非破坏性可逆击穿