半导体物理_P-N结.ppt

例8：计算硅单边p+-n突变结的击穿电压．其ND＝5×1016cm-3． 解: 由下图可得到硅单边p+-n突变结的临界电场大约为5.7×105 V/cm. 然后由式 得到 结击穿 异质结 通过外延技术，在两种不同 半导体材料之间形成的结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 异质结 例9：考虑一理想突变异质结，其内建电势为1.6V．在半导体1和2的掺杂浓度为施主1×1016cm-3和受主3×1019cm-3，且介电常数分别为12和13．求在热平衡时，各材料的静电势和耗尽区宽度． 解: 在热平衡时(或V＝0)异质结的静电势和耗尽区宽度分别为 异质结 Thanks for listening 右图显示温度对硅二极管反向特性的影响．在低温时，产生电流占优势，且对于突变结(即W～VR1/2)，反向电流随VR1/2变化．当温度上升超过175℃，在VR≥3kT/q时，产生电流有饱和的趋势，扩散电流将占优． 电流－电压特性 在正向偏压下，电子由n区被注入到p区，而空穴由p区被注入到n区．少数载流子一旦越过结注入，就和多数载流子复合，且随距离呈指数式衰退，如图所示．这些少数载流子的分布导致在p-n结上电流流动及电荷储存。下面分析电荷储存对结电容的影响和偏压突然改变导致的p-n结的暂态响应. 被注入的少数载流子储存在中性n区，其每单位面积电荷可由对在中性区额外的空穴积分获得，如图的图形面积所示，由 少数载流子(minority carrier)的储存： 可得 电荷存储和暂态响应 类似的式子可以表示在电中性p区的储存电子．所储存的少数载流子数量和扩散长度及在耗尽区边界的电荷密度有关．由上式和 上式说明电荷储存量是电流和少数载流子寿命的乘积．这是因为若注入的空穴寿命较长，则在被复合之前，会更深地扩散入n区，因而 可储存较多的空穴． 得到 电荷存储和暂态响应 例7：对于一理想硅p+-n突变结，其ND＝8×1015cm-3．计算当外加1V正向 偏压时，储存在中性区少数载流子每单位面积的数目．空穴的扩散长 度是5um。 得到 解 由 电荷存储和暂态响应 在许多应用中，通常用等效电路表示p-n结．除了扩散电容C和势垒电容C外，我们必须加入电导来考虑电流流经器件的情形．在理想二极管中，电导可由式 获得， 二极管的等效电路如图所示，其中Cj代表总势垒电容．在静止偏压(亦即直流dc)的二极管外加一低电压正弦激发下，该图所示的电路已提供了足够的精确度，可称它为二极管的小信号等效电路。 电荷存储和暂态响应 在开关应用上，正向到反向偏压暂态过程必须近于突变，且暂态时间必须很短．图(a)显示，正向电流IF流经p-n结的简单电路．当时间t＝0，开关S突然转向右边，有一起始反向电流IR开始流动．暂态时间toff如图(b)所示，是电流降低到只有10％的起始反向电流IR所需的时间． 暂态响应(transient behavior) 电荷存储和暂态响应 当一足够大的反向电压加在p-n结时，结会击穿而导通一非常大的电流．两种重要的击穿机制为隧道效应和雪崩倍增．对大部分的二极管而言，雪崩击穿限制反向偏压的上限，也限制了双极型晶体管的集电极电压 结击穿 单位面积耗尽层势垒电容定义为: 右图表示任意掺杂浓度p-n结的势垒电容．实线代表电压加在n侧时对应的电荷和电场分布．如果电压增加了dV的量，电荷和电场分布会扩张到虚线的区域． 耗尽层势垒电容(depletion layer capdcitance) 其中dQ是外加偏压变化dV时， 单位面积耗尽层电荷的增量． 耗尽层势垒电容 在图(b)中，耗尽区两侧电荷分布曲线的上色部分表示电荷增量．n侧或p侧的空间电荷增量相等，而其电荷极性相反，因此总体电荷仍然维持中性．电荷增量造成电场增加， 且dE=dQ/?．图(c)表示对应的电场分布变化，由于外加电压增量dV=WdE=WdQ/?，因此，单位面积的势垒电容为 上式与平行板电容的公式相同，其中两平行板的距离为耗尽区的宽度．此方程式对任意杂质浓度分布都适用． 耗尽层势垒电容 在推导上式时，只有在耗尽区变化的空间电荷对电容值有贡献．这对反向偏压的情况当然是很好的假设．然而对正向偏压而言，大量电流可以流过结，因此也代表中性区有大量的移动裁流子．这些随着偏压增加的移动载流子增量会贡献出额外的一项电容，称为扩散电容． 电容-电压特性曲线 ： 对于一单边突变结，由 得到 和 或 耗尽层势垒电容 例4：对一硅突变结，其中NA＝2×1019cm-3，ND＝8×1015cm-3，计算零偏压和反向偏压4V时的结电容(T＝300K)． 将1/Cj2对V作图，可以得到一直线．由其