传感器第二章PN结.ppt

2.7.2 求杂质分布 在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容?电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此过程称求杂质分布。 式中N(W)是在空间电荷层边缘W处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间具有如下关系： 电场增量偏压增量的具有如下关系： * C即为耗尽层电容——介质厚度为W的平板电容。 * 杂质分布的程序： 求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度W： 画出1/C2相对V的曲线。 从此1/C2曲线中取 并将其结果代入式计算出N(W)。 画出完整的杂质分布N(W) 。 注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。 * 由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果: * 例2-3 考虑在 的衬底上通过硼的两步扩散制成的 PN结。硼的表面浓度为 ，结深为5μm。假设自建电势为0.8V，求在5V反偏压下的结电容。 解：因为 所以有 此外 * 2.8 PN结二极管的频率特性 器件处理连续波时所表现出来的性能叫做器件的频率特性。在小信号工作时，信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化跟得上信号的变化。 若外加交流信号电压 ，则满足小信号条件 * * 对于N型中性区，空穴分布为： 其中第一项代表稳态分布，第二项代表与时间有关的分布。 满足连续性方程。 由于 其中： 求边界条件： （1）x=xn处： 其中： 对于小信号： 其中： * 边界条件： x=xn处的空穴电流为： 同理，注入到P区的电子的交流分量为： * PN结的总交流电流为： * 交流导纳：Y 对于P+N二极管， 若 P+N二极管正向电流直流部分： 二极管直流电导： PN结扩散电容： * 二极管的等效电路 在许多应用中，总是根据在使用条件下半导体器件各部分的物理作用，用电阻、电容、电流源和电压源等组成一定的电路来达到等效器件的功能，这种电路叫做等效电路。 PN结小信号交流等效电路如图所示。 * 2.9 PN结二极管的开关特性 2.9.1 电荷贮存和反向瞬变 PN结二极管的开关作用： PN结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。 反瞬态 开瞬态 * PN结的反向瞬变:电流和电压的延迟现象。 * PN结二极管的电荷贮存效应： PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。 在一般情况下，可以把时间ts规定为反向瞬变的结束。要在PN结二极管中得到高的开关速度，少数载流子寿命应当很短，此外，在电路设计时，需要有大的反偏电流和小的正偏电流。 在载流子寿命很短且正偏电流很小的情况下，开瞬态时间非常短。 在实际应用中，对用于制造计算机的二极管，掺金是一种缩短少子寿命的有效方法。 * 2.9.2 阶跃恢复二极管 反向瞬变波形可以通过在二极管中引入一自建场进行修正。例如若在 二极管轻掺杂一侧的杂质浓度为 则，自建电场为 于是注入的非平衡少子空穴既有扩散运动，也有在自建场作用下的漂移运动。自建场沿着-x方向，漂移电流也沿-x方向当二极管由正向偏置转换到反向偏置之后，注入少子空穴开始反向流向空间电荷区，而此时自建场将加速这种流动。 * PN结击穿：当加在PN结上的反偏压增加到一定数值，再稍微增加，PN结就会产生很大的反向电流，这种现象叫做结击穿。击穿过程并非具有破坏性的，只要最大电流受到限制，它可以长期地重复。 击穿机制： 齐纳击穿（隧道击穿）：齐纳提出在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。齐纳击穿发生在低电压情况下，比如硅PN结低于4伏特情况下发生的击穿。 雪崩击穿：对于高电压击穿的结。例如，在硅中大于6V的击穿，雪崩机制是产生击穿的原因。 2.10