Transcript 对于单边突变结
固 体 电 子器 件 第一章 半导体物理基础(知识回顾） 第二章 PN结理论 第三章 第四章 第五章 第六章 双极晶体管 场效应晶体管 电力电子器件 光电子器件 第二章 PN 结 什么是PN结？ p-n结是同一块半导体中p型区与n型区交界面及其两 侧很薄的过渡区。它既可以单独构成半导体器件，也 是构成各种半导体器件的基本单元。 P区 N区 NA ND 什么是理想平行平面结？ 本章所讨论的PN结为理想的平行平面结， 即界面为平面，平行于与其相对的两个端面， 如图所示。如果结面积足够大，且掺杂浓度只 在垂直于结的方向（x方向）变化，就可采用 一维的半导体方程。 第二章 PN 结 内容 • • • • • • • • 2.1 PN结的平衡状态 2.2 准费米能级 2.3 PN结V-I特性 2.4 大注入效应 2.5 PN结的击穿 2.6 PN结的电容 2.7 PN结的开关特性 2.8 PN结二极管 2.1 PN结的平衡状态 平衡状态 --- PN 结内温度均匀、稳定，不存在外加电压、 光照、磁场、辐射等外作用。 2.1.1 PN结空间电荷区的形成 2.1.2 内建电场、内建电势和耗尽层宽度 内容 2.1.3平衡pn结能带图与载流子分布 2.1.4 耗尽近似的适用性 2.1.1 PN结空间电荷区的形成 平衡状态下的PN结在结的两侧的很窄的区域存在由 施主离子和受主离子产生的空间电荷区，空间电荷区产生 的电场称为自建电场。 内建电场 P区 NApp0 NA- ND+ 空间电荷区 N区 ND+ nn0 空间电荷区的形成 平衡多子 P区：p po N A ni N区 P + N区 A ，pp0 ND ，nn0 nno N D ni N区： 利用 no po = ni2 的关系，可得： 平衡少子 浓度差 n po ni2 ni2 ni p po NA pno ni2 ni2 ni nno ND P区： N区： 扩散 电场 扩散+漂移 p po ni pno nno ni n po 动态平衡 一定宽度的稳 定空间电荷区 2.1.2内建电场、内建电势和耗尽层宽度 1) 简化近似： 简化近似一： ND N A 突变结 --- P区与N区的杂质 浓度都是均匀的，杂质浓度在冶金 结面处（x = 0）发生突变。当一侧 ND 0 x NA 的浓度远大于另一侧时，称为 单边 突变结，分别记为 单边突变结 线性缓变结 --- 冶金结面两侧 和 P+N 单边突变结。 的杂质浓度均随距离作线性变化， PN+ 杂质浓度梯d aN为常数。 N a D dx A 常数 ND N A 0 x 内建电场 简化近似二： P区 NApp0 NA- ND+ N区 ND+ nn0 空间电荷区 耗尽近似 --- 认为空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即 完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可 称为 “耗尽区”。 中性近似 --- 认为在耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓 度，因而保持电中性。这时这部分区域又可称为 “中性区”。 2) 突变结内建电场、内建电势和耗尽层宽度的分析： 在N区的耗尽区中，根据耗尽近似，写出泊松方程成为： 2 d q ND s dx 2 上式也可写成： d q ND dx s P d （ 因 dx ） N xp xn 利用边界条件： x xn ， ( x) 0 max q 可得： x x xn N D s 0 x x xn q s xn x ND 0 xp x xn 0 xn x 同理可在P 区耗尽区中求解泊松方程得： x x q qs s x x N x x N p p A A x x x 0 p p x 0 P 在 x = 0 处，ε ( x ) 达到最大值： 0 max q s xn N D q s xp N A N xp 由上式可求出 N 区与P 区的耗尽区宽度： xn s qN D max , xp s qN A xd xn x p s qN 0 max max max xp 总的耗尽区宽度： N0 N AN D NA ND xn 0 xn x 对内建电场作积分可得 内建电势（也称为扩散电势 Vbi） ： Vbi xn xp x dx 2 qN 0 max xn s qN D s Vbi max , 1 xn x p max s max 2 qN 0 2 1 2 xp P s qN A s 2 qN 0 max 个未知量，即 x p Vbi 、 、 和 max Vbi 。 max 2 N max 以上建立了3 个方程，但有 4 xn 2 xp 0 xn x 已知在平衡状态下，净的空穴电流密度为零，故由空穴的 电流密度方程可得： J p qD p 从上式可解出内建电场： x Dp p dp q p p 0 dx Dp 利用爱因斯坦关系式 p 1 dp kT d ln p p dx dx q 对 x 积分即可求出内建电势为： Vbi xn xp x dx p po kT ln q pno kT q p po kT Vbi ln q pno p po N A 由于 Vbi ，pno ni2 ni2 nno ND ，故得： N N kT ln A 2 D q ni 由上式可见，Vbi 与掺杂浓度、ni （或EG 及温度T ）有关。 在常用的掺杂浓度范围和室温下，硅的 Vbi 约为 0.75V ，锗的1 约为 0.35V 。最后可得： s 2 s 2 NA xn max 2 qN 0 Vbi s 1 2 xp qN D s qN A max Vbi N D (N A N D ) q 2 ND max s Vbi N A(N A N D ) q xd xn x p 2Vbi max 2 s Vbi qN 0 1 2 1 2 q x x Vbi Vbi q s s xn x ND x x N p 1 xd max 2 N N kT ln A 2 D q ni max xd 2 qN 0 V bi s 2Vbi max 2 s Vbi qN 0 1 2 1 2 A 0 x p x xn x 0 内建电势 是电场分 布所围城 的面积 N0 N AN D NA ND P s 2 qN 0 xp max 2 N xn max qN A qN D s xp s 0 xn x P 对于 N 单边突变结， N A N D N0 N D P N 则以上各式可简化为： 0 xp 0 2 s xn xd Vbi qN D 2 qN D max Vbi s 1 2 xn 1 2 x 0 xn PN 对于 单边突变结， N D N A N0 N A 以上各式又可简化为： xp xn 0 2 s x p xd Vbi qN A max 2 qN A Vbi s N P 0 1 2 1 2 x xp 0 可见，耗尽区主要分布在低掺杂的一侧， max 与 xd 也 主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 3) 线性缓变结 在线性缓变结中，杂质分布为： 耗尽近似下的泊松方程为： ND N A ax d q ax dx s 边界条件为： ( ND N A xd 2 xd x )( d )0 2 2 0 xd 2 x 积分并应用边界条件后得电场分布为： aqx d x 8 s 2 2 2x 1 x max d 2 2x 1 x d x xd 2 0 xd 2 2 2 2x 2x aqx d 1 max 1 x 8 s xd xd aqx d2 上式中： max 8 s 2 x xd 2 0 内建电势 Vbi 为： Vbi xd 2 x d 2 将上面关于 max 12 sVbi xd aq 1 3 x dx 2 max xd 3 与 xd 的两个方程联立，可解得： max aq 1 8 s 1 3 12Vbi 2 3 xd 2 应当指出，以上所有关于平衡 PN 结的各个公式 ，都可以 推广到有外加电压时的情形。 如果假设外加电压全部降落在耗 尽区上， 则 只需将各公式中的 Vbi 用（Vbi – V ） 代替即可 。 1 1 2 注意外加电压的参考方向与 Vbi 相反 2 qN 0 2。 2 qN 0 max Vbi s 2 xd s Vbi qN 0 1 2 12 sVbi xd aq max max 2 xd s Vbi V qN 0 1 3 aq 1 8 s s Vbi V 1 2 12 s Vbi V xd aq 1 3 12Vbi 2 3 max 1 aq 8 s 1 3 1 3 12Vbi V 2 3 2.1.3.平衡pn结能带图与载流子分布 1) 平衡PN结能带 内建电场的存在 x dx C xn xp x p Vbi P区 NApp0 N区 NA- ND+ nn0 dp q p p 0 dx E Ef q dEi x dx p ni exp i kT J p qD p J p p p dE f dx 0 1）p区导带底比n区高qVbi，P区 价带顶比N区高qVbi 2）禁带宽度Eg保持处处相等 3）势垒区内能带弯曲 由于n区的 电子要进入p区需要 越过一个势垒，所以空间电荷区 又叫势垒区。 2) 载流子的浓度分布 平衡载流子浓度可表为： E EF n ni exp i kT E F Ei p ni exp kT Ec P区 N区 Ei Ec EF EF Ev qVbi 由上图，Ei x 可表为： Ei x Ei xn q x 代入载流子浓度表达式中，得： Ei Ev n x nno q x exp kT qVbi q x p x p po exp kT 在 x x n 处： x n 0 nxn nno p xn pno 在 x x p 处： x p Vbi qVbi n po nno exp kT qVbi pno p po exp kT P区 NApp0 N区 NA- ppo n x p n po pno n(x) -xp nn0 nno p(x) npo p x p p po ND+ xn 2.1.4、耗尽近似的适用性 泊松方程的一般表达式为： d x dx s ppo q ND n s q NA p x , 0 s x q ND N A p n max pno n(x) -xp xn p 电荷密度的一般表达式为： 2qN 0 2kT Vbi q s npo 0, xn nno p(x) 1 2 x q ND n x q N A p 0, xn x , 0 p 2qN 0 2kT V V bi q s max 1 2 说明： 2qN 0 2kT V bi q s max 1 2 1)耗尽层近似的最大电场强度比实际值偏大； 2)正偏误差增大； 思考题： 3)反偏误差减小。 中性区近似是否准确？什么样的结构可近似为中性区？什么 样的结构不能近似为中性区？ 预留问题： 如果反偏电压使PN结雪崩击穿，电场分布会发生怎样的变化？ §2.2 准费米能级 1、平衡状态具有统一的费米能级 在平衡状态时，存在统一的费米能级 EF ，即电子与空穴 有相同的费米能级，并且费米能级在半导体内处处相等。 2、平衡状态的PN 结具有统一的费米能级 Ec P区 N区 Ei Ec EF EF Ev qVbi Ei Ev 由于PN结具有统一的费米能级，因此有： Ei ( x ) E F po x ni exp kT E F Ei ( x ) no x ni exp kT no x po x ni2 因为PN结两侧的载流子浓度不同，而且EF处处相等，因 此Ei肯定不相等，利用上面二式可得P区和N区Ei的差为： Eip pp0 nn 0 Ein kT ln kT ln np0 pn 0 Eip Ein qVbi Vbi N A ND kT ln q ni2 3、准费米能级 在非平衡情形，不存在统一的费米能级，但同一种粒子在 同一地点的能量分布仍与费米分布函数形式相同，为了能用类 似描述平衡状态的公式来描述非平衡状态的载流子浓度分布， 引入了准费米能级的概念。 设 EFp 与 EFn 分别为空穴与电子的 准费米能级，且均可 随 x 而变化，则非平衡状态时的空穴和电子浓度仍可表示为： Ei EFn n ni exp kT EFp Ei p ni exp kT 4、PN 结在正向电压下的情形 (+) P Ec E Fp Ev (-) N q(Vbi-V) Ec EFn EFp qV EFp EFn E Fn Ev dEF dp J p p p J p qD p q p p dx dx Ei E f 1 dEi x p ni exp q dx kT EFn EFp qV 4、PN 结在正向电压下的情形 耗尽区中有： E Fn E Fp qV , 5、PN 结在反向电压下的情形 V 0 这个差值就是势垒 高度比平衡时降低 的数值。 耗尽区中同样有： E Fn E Fp qV , V 0 这个差值就是势垒 高度比平衡时增高 的数值。 6、非平衡PN 结的n(x）p(x) Ei ( x ) E Fp ( x ) p x ni exp kT E Fn ( x ) Ei ( x ) n x ni exp kT 耗尽区中及边界处两种准费米能级之差为： E Fn ( x ) E Fp ( x ) qV , 因此有： E Fn ( x) E Fp ( x) n x p x n exp kT qV ni2 exp kT 2 i §2-3 PN 结V-I特性 PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小， PN结具有单向导电性，含有电气连接的pn结就是二极管。 PN 结二极管的符号为： + P区 N区 PN结为什么能具有这样的电流-电压特性呢？ PN结内载流子如何输运才能实现这样的电流-电压特性呢？ 通过分析载流子的传输推导电流方程。 2.3.1正向电压下载流子的运动情况 qVbi 降为 qVbi V , x 外加正向电压V 后，PN结势垒高度由 d max 与 均减小，使扩散电流大于漂移电流，形成净的正向电流。 外加电场 内建电场 P N 平衡时 外加正向电压时 面积为Vbi 面积为Vbi -V x 0 由于正向电流的来源是N 区电子和P 区空穴，他们都是 多子，所以正向电流很大。 正向的p-n结电流输运过程(不考虑空间电荷区的复合） 空穴漂移区 电子扩散区 Jp 空穴扩散区 电子漂移区 Jn N区 P区 J dn J dp 正向的p-n结电流输运过程(考虑空间电荷区的复合） Jp Jn P区 N区 J dn Jr J dp 正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度：Jdp (在N 区中空穴扩散区推导）。 2、电子扩散电流密度：Jdn (在P区中电子扩散区推导）。 J 3、势垒区复合电流密度：Jr (在势垒区中推导）。 J dp N区 P区 J dp J dn J r J dn Jr xp 0 xn 2.3.2、中性区与耗尽区边界的少子浓度与外加电压的关系 本小节所得的结果不仅可作为求解连续性方程时所需的 边界条件，而且在其他章节也有很重要的用途。 已知在平衡PN结耗尽区两侧边界上的空穴浓度有如下 qV 关系： pno p po exp bi 当外加电压 V 后： kT Vbi Vbi V pno pn pno pn p po p p p po p p q (Vbi V ) qVbi 从而得： pn p p exp p p exp kT kT qV exp kT qVbi qV pn p p exp exp kT kT 在小注入条件下，p p p po , p p p po ，因而在N 型区与 耗尽区的边界处，即在 xn 处有： qVbi qV pn p po exp exp kT qV pno exp kT 同理，在 - xp 处有： kT qV n p n po exp kT 以上两式说明：当 PN 结有外加电压V 时，在小注入条件 下，中性区与耗尽区边界处的少子浓度等于平衡时的少子浓度 乘以 exp ( qV/kT ) 。上式对正、反向电压均适用。 假设中性区的长度远大于少子扩散长度，则可得 少子浓度 的边界条件： qV pn x n pno exp kT , pn x , np x n po qV pn xn pno exp 1 , kT pn x 0 qV n p x p n po exp 1, kT n p x 0 qV n p x p n po exp kT pno 对于非平衡少子，其边界条件为： 2.3.3、载流子分布的求解 已知N区中的空穴扩散方程为 将R 写作 故可得： R p n p p n 2 pn Dp R t x 2 ； 直流情况下， p n 0 ；又因 t d 2 p n p n Dp 0 dx 2 p 2 p no 0 x 2 d 2 pn pn dx 2 L2p 上式中，L p Dp p ，称为空穴的 扩散长度，其典型值 为10μm 。 扩散方程的通解为： ， x x B exp pn ( x) A exp L L p p 假设N区足够长 ( >> Lp )，则 pn ( x ) 的边界条件为： qV pn ( xn ) pno exp 1 , kT pn x 0 利用此边界条件可解出系数 A、B ，于是可得N 区内的非 平衡少子空穴的分布为： x xn qV p n ( x ) p no exp 1 exp Lp kT ( x xn ) , P区内的非平衡少子电子也有类似的分布： x xp qV n p x n po exp 1 exp L kT n x x p , 正向时PN结中的少子分布图： qV n p x p n po exp kT qV p n x n p no exp kT P区 n po N区 xp p no xn x 2.3.4 正向扩散电流 假设中性区内无电场，故可略去空穴电流密度方程中的漂移 分量，将上面求得的 pn ( x ) dpn J dp qD p dx 代入后，得： x xn qD p pno qV exp 1 Lp kT 同理可得P区内的电子扩散电流为： J dn qDn n po qV exp 1 Ln kT 总的PN 结扩散电流密度 Jd 为： Dn Dp J d J dp J dn q n po pno L Lp n Dn Dp J0 q n po pno L Lp n qV exp 1 kT qV J d J o exp 1 kT 当 V 0 时， J d 0 ， 当 V kT q qV J J exp ( 室温时约为26 mV ) 时， d o kT qV J d J o exp kT Jo Dp Dp D Dn 2 n q pno n po qni L L N L Ln N A n p p D 对 Jo 的讨论： 与材料种类的关系： EG ↑，则 ni ↓，Jo ↓ 。 与掺杂浓度的关系： ND 、NA ↑，则 pno 、npo ↓，Jo ↓ （主要取决于低掺杂一侧的掺杂浓度）。 与温度的关系： T ↑，则 ni ↑，Jo ↑。 薄基区二极管的扩散电流 （该结果在第三章中有重要用途） 薄基区二极管是指PN 结的某一个或两个中性区的长度小于 少子扩散长度。这时其扩散电流 Jd 会因为边界条件不同而有所 不同。但势垒区产生复合电流Jgr 的表达式无任何变化。 P L p WN N 0 WB 前面讨论少子的边界条件时曾假设中性区长度远大于少子扩 散长度，因此有: n p x 0, pn x 0 qV pn 0 pno exp 1 kT 薄N区二极管边界条件为： pn WB 0 利用上述边界条件，求解扩散方程得到的N 区中的非平衡 少子分布 pn x 近似为： x qV pn x pno exp 1 1 WB kT 上式对正、反电压都适用。类似地可得P 区中的非平衡少子 分布 n p x 的表达式。薄基区二极管中的少子分布图为： 正向： P区 反向： P区 N区 N区 p no n po WE Ln x 0 W B L p 精确公式， x WE Ln 0 近似公式 W B L p 当WB << Lp 时的空穴扩散电流和当WE << Ln 时的电子扩散 电流分别为： qD n 2 qV J dp J dn p i WB N D exp 1 kT qDn ni2 qV exp 1 WE N A kT 与厚基区二极管的扩散电流公式相比，差别仅在于分别用 WB 、WE 来代替 Lp 、Ln 。 2.3.5、势垒区复合电流 势垒区复合电流就是势垒区单位时间内复合掉的总电荷量 于是有： J r q xn xp Rdx 上式中净复合率 R 可近似表为： np ni2 R ( n p 2 ni ) 在势垒区中，已知平衡时有： no x po x ni2 当外加电压 V 时： qV n x p x ni2 exp kT 可见： 当 V > 0 时，np > ni2 ，R > 0 ， 发生净复合。 当 V < 0 时，np < ni2 ，R < 0 ， 发生净产生。 为简化计算，可假设在势垒区中 n 与 p 相等，且不随 x 而变化。即： qV n p ni exp 2 kT np ni2 R ( n p 2 ni ) qV n p ni exp 2 kT Jr qni xd 2 qV exp 1 kT qV exp 1 2kT qV ni exp 1 kT , R qV 2 exp 1 2 kT Jr q xn xp Rdx q R xd 当 V = 0 时： J r 0 当 V >> kT / q 时： Jr qni x d qV exp 2 2kT 2.3.6 正向伏安特性与导通电压 本小节主要内容：对扩散电流 Jd 与复合电流 Jr 的大小进行 比较。并介绍 PN 结导通电压（或pn结开启电压）的概念。 PN结正向电流为： I A J d J r 以P+N 结为例，当 V >> kT / q 时： qD p ni2 qni x d qV qV I A exp exp L N kT 2 2kT p D L p ni Jd EG qV qV 2 L p N C NV 2 exp exp Jr xd N D 2 kT x N 2 kT d D 2 Lp NC NV Jd EG qV exp Jr xd N D 2kT 当V 比较小时，以 Jr 为主； 当V 比较大时，以 Jd 为主。 EG 越大，则过渡电压值就越高。 对于硅PN 结：当V < 0.3V 时，以 Jr 为主；当V > 0.45V 时， 以 Jd 为主。 lnI Ge Si GaAs 斜率 = q / 2kT ，大注入 斜率 = q / kT 斜率 = q / 2kT V 当正向电压较小时，以 Jr 为主： Aqni x d q ln I ln V 2 2kT 当正向电压较大时， 以 Jd 为主时： q ln I ln I o V kT ( 斜率 = q / 2kT ) ( 斜率 = q / kT ) 在一般常用的正向电压和温度范围，PN结的正向电流以扩 散电流 Jd 为主。这时正向电流可表示为： qV qV I AJ d AJ o exp 1 I o exp kT kT PN 结正向伏安特性曲线图： I (mA) 6 4 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 通常将正向电流达到某 一规定值（例如几百微安到 几毫安）时的正向电压称为 正向导通电压或开启电压， V(V) 记作VF 。 Io = A jo 越大， VF 就越小。 NA 、ND ↑，则 Io↓，VF ↑ JD qDp ni2 qV exp Lp N D kT E ni2 NC NV exp G kT （取决于低掺杂一侧）。 T ↑， 则 Io ↑，VF ↓。 JD qDp NC NV Lp N D qV EG exp kT qV EG J exp 0 kT EG↑，VF ↑。 对 VF 影响最大的是 EG 。 Ge PN 结的 VF 约为 0.25V ， Si PN 结的 VF 约为 0.7V 。 2.3.7 PN 结在反向电压下的特性 1）载流子的运动情况 外加反向电压V (V < 0) 后，势垒高度由qVbi 增高到 q(Vbi -V)， xd 与 | max | 都增大。 外加电场 内建电场 P N 0 外加反向电压时 平衡时 面积为Vbi -V 面积为Vbi x 由于反向电流的来源是是少子，所以反向电流很小。 （ -） 空穴扩散区 电子漂移区（+） 空穴漂移区 电子扩散区 N区 P区 J dn Jg J dp 1.反向电流密度由三部分组成： 在势垒区中，R < 0，发生电子 空穴对的产生，其中电子被拉向N 区，空穴被拉向P 区，从而形成 Jg 。 2.空穴扩散电流密度 3.电子扩散电流密度 4.势垒区产生电流密度 J J dp J dn J g J dp N区 P区 J dn Jg xp 0 xn 2）反向扩散电流 外加反向电压时，边界条件、扩散方程、少子分布、扩散 电流等的表达式在形式上均与正向电压时相同，只是由于V < 0 而在作进一步简化时有所不同。例如：N 区非平衡少子空穴的 边界条件是： qV pn xn pno exp 1 qV pno exp , kT x kT V 0 , V q kT V 0 , V q pno , pn kT 0 反向PN 结的少子浓度分布图为： P区 N区 pn xn pn 0 n p x p n p 0 pno n po xp xn x 总的扩散电流密度表达式为： qV J d J dp J dn J o exp 1 kT qV J o exp , （正向时） kT Jo , （反向时） 在V < 0 且 | V | >> kT/q 的条件下，PN 结反向扩散电流为： I AJ o I o 此时反向电流达到饱和，不再随反向电压而变化，因此称 电流 Io = A jo 为 反向饱和电流。 I V 0 I0 3）势垒区产生复合电流 由于 Jr 与 Jg 也有相同的表达式，因此可统一用 Jgr 表示： J gr q xn xp qV exp 1 n kT i Rdx qx d qV 2 exp 1 2kT qni x d qV exp 2 2kT qni x d ， 2 ，（正向时） （反向时） 4）对反向电流的讨论 当V < 0 且 |V| >> kT/q 时，总的反向电流为 ( 以P+N结为例 ) ： qni2 D p qni x d I AJ d J g A Lp N D 2 当T 较低时，以Jg 为主；当T 较高时，以Jd 为主。EG 越大，则由以 Jg 为主过渡到以 Jd 为主的温度就越高。室温下，Ge PN 结的反向电流中以 Jd 为主。GaAs PN 结以 Jg 为主。而 Si PN 结则介于两者之间。 ln I 斜率 = -(EG / k) ，以Jd 为主 斜率 = -(EG / 2k) ，以Jg为主 GaAs Si Ge 1 T §2-4 大注入效应 1、问题的提出 lnI Ge Si GaAs 斜率 = q / 2kT ，大注入 斜率 = q / kT 斜率 = q / 2kT V qD p ni2 qni x d qV qV I A exp exp L N kT 2 2kT p D 在大电流情况下，小注入下得到的V-I特性不再成立。 2、大注入概念 PN 结在正向电压下，势垒区两侧均有非平衡少子的注入。 以N 区为例，当有 p 注入时，由于静电感应作用，在 N 区 n 会出现相同数量的 nn 以使该区仍保持大体上的电中性。 N区少子: p n p no p n N区多子: nn nno nn 且 nn p n 小注入：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远小于该区 的平衡多子浓度。即： 在N 区中 xn 附近： 在P 区中（-xp） 附近： p n nno n p p po nn p n N区 nno N D 2 p no n i ND x xn 这时非平衡多子可以忽略，即： pn pno pn nn nno nn nno 大注入：注入某区边界附近的非平衡少子浓度远大于该区 的平衡多子浓度。即： pn nno 在N 区中 xn 附近： 在P 区中（- xp）附近： n p p po N区 nn p n nno N D pno ni2 N D xn x 2.4.2 大注入下的少子边界条件 以下推导大注入条件下的边界条件、少子分布与扩散电流。 当N区发生大注入时，在 x n 处： p n p no p n p n nn nno nn nno p n p n 由上式可知： p n nn 2 n p p n 或： n n 另一方面，已知在有外加电压时，耗尽区中（包括耗尽区 边界处）的载流子浓度乘积为： E Fn E Fp nn pn n exp kT 2 i qV 2 2 n exp p i n kT 于是可得： qV pn x n ni exp 2 kT 同理，当P区发生大注入时，有： qV n p x p ni exp 2 kT 以上两式就是大注入下的边界条件之一。 2.4.3 大注入自建电场的形成及大小 大注入下形成的多子浓度梯度所产生的电场，称为大注 N区 入自建电场。 大注入自建电场的形成机理 多子扩散 n n 对于N型区 p n J n qDn dnn q n nn 0 dx D p 1 dpn 1 dnn xn p pn dx n nn dx Dn 作用？ 提高少子扩散速度，抑制多子扩散 nno N D pno ni2 N D x 2.4.4大注入下的PN结电流 利用N区的大注入边界条件来求解扩散方程，可得到N 区 内的少子分布为（以 xn 处作为坐标原点）： x x qV pn ( x ) pn (0) exp ni exp exp L 2 kT L p p dnn J qD q n nn 0 对于N型区 n n dx D p 1 dpn Dn 1 dnn p pn dx n nn dx Jp dpn dpn qD p q p pn q2 D p dx dx J p qD p dpn dp q p pn q2 D p n dx dx 这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，但扩散 系数扩大了一倍。这个现象称为 Webster 效应。 x qV pn ( x) ni exp exp 2 kT L p Jp q ( 2 D p ) ni Lp qV exp 2 kT 同理可得若P 区发生大注入时的电子电流为： Jn ( 2 Dn )ni qV q exp Ln 2kT 由此可见，当发生大注入时，PN结的电流电压关系为： qV I exp 2kT 这时，PN 结的 lnI -V 特性曲线的斜率，会从小注入时的 ( q / kT ) 过渡到大注入时的 ( q / 2kT ) 。 lnI Ge Si GaAs 斜率 = q / 2kT ，大注入 斜率 = q / kT ，以Jd 为主 斜率 = q / 2kT ，以Jr 为主 V Jp q ( 2 D p ) ni Lp qV exp 2 kT §2-5 PN 结的击穿 什么叫PN结的击穿？ VB I I0 V 击穿机理： 雪崩击穿 隧道击穿 热击穿 电击穿 2.5.1雪崩击穿 1）碰撞电离 电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为： l E q | | dx 0 反向电压↑ | |, E , 当 E EG 时, 可使被碰撞的价带 电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这就是 碰撞 电离。 碰撞电离引起了雪崩倍增效应。 2）碰撞电离率：一个自由电子（或空穴）在单位距离内通 过碰撞电离而产生的新的电子空穴对的数目称为电子（或空穴） 的 碰撞电离率，记为： in (或 ip ) 。 i 与电场强烈有关，可用如下经验公式近似表示： i A | | exp B m 式中，A、B、m 为经验常数。 3）雪崩倍增因子 定义：包括雪崩倍增作用在内的总电流与进入耗尽区的原始 电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 。 4) i与 M 的 关系 4) i J p0 J p ( x) n J n ( x) J n0 p J n (0) 与 M J p ( xd ) 0 x x dx xd 的 单位时间内流过 x 面上单位面积的空穴数目为: 1 J p x 关 q 系 由于这些空穴的碰撞电离而在dx距离内新增的空穴数目为： 1 J p x ip dx q 同理，由于电子的碰撞电离在dx距离内新增的空穴数目为： 1 Jn q x in dx 为简便起见，假设 ip in i ， dx距离内总的新增空穴数 目为: 1 q [ J p ( x) J n ( x)] i dx 则在 dx 距离内新增的空穴电流为： dJ p [ J p ( x) J n ( x)] i dx J i dx M 将上式从 x = 0 到 x 积分，得： J 1 J 0 1 xd dx i 0 x x 0 0 J p ( x) J p 0 dJ p J i dx, 类似可得： M J n ( x) J n xd J n ( x) J n0 J i dx xd x J , J J p ( x) J n ( x ), J 0 J n 0 J p 0 J0 M 1 xd 1 i dx 0 xd 上式中， 0 i dx 称为 电离率积分。 当 xd 0 i dx 0 时, M 1 雪崩倍增效应。 随着反向电压 | xd ，总电流就是原始电流，表示无 xd | i i dx M 总电流 , 0 i dx 1 , M , 即发生雪崩击穿。 由此可得发生 雪崩击穿 的条件是: 0 xd 0 i dx 1 5）雪崩击穿电压 实际计算击穿电压VB 时，常采用如下近似方法。 故对积分起主要作用的只是 由于 i 随 | | 的变化很尖锐， 电场峰值附近的很小一部分区域。在这个区域内 | max | 几乎不 变，因此可以近似认为，当 | max | 达到某一 临界电场 c 时， 即可满足击穿条件 x i dx 1 ，从而发生雪崩击穿。 d 0 i A | | exp B m q c 1.1 10 s 7 对于突变结： 1 2 3 4 1 EG N08 1 . 1 2qN 0 | max | (Vbi V ) s 已知： 1 2 | max | c ，(Vbi V ) (Vbi VB ) VB c 2qN 0 VB s 1 2 VB Si 5.34 10 13 3 2 VB 5.2 1013 EG N 0 3 4 VB SiC 3.0 10 ND 15 ND 3 4 3 4 由上式可见，禁带宽度EG 越大，则击穿电压VB 越高。约化 杂质浓度N0 越低，VB 越高。对于单边突变结， N0 就是低掺杂 一侧的杂质浓度，因此 击穿电压也是取决于低掺杂一侧，该侧 的杂质浓度越低，VB 越高。 对于线性缓变结： 6 5 VB 1010 EG a c 1 3 EG 6 q 1.5 10 1.1 s 2 5 | max VB Si 9.2 10 9 a 2 5 c 1 aq | 8 s 1 3 1 aq 8 s 12(Vbi 1 3 (12VB ) 4 5 a 1 15 V ) 2 3 2 3 由上式可见，禁带宽度EG 越大，则击穿电压VB 越高。浓度 梯度越小， VB 越高。 3 2 VB 5.2 10 EG N 0 13 3 4 结面为一平面，即平面结 结面与材料表面相平行 6 5 VB 1010 EG a 2 5 平行平面结 低掺杂中性区的厚度足够厚 如果不满足这些条件，PN结的雪崩击穿电压将发生怎 样的变化？ 6）结的结构对VB 的影响 只有满足以下条件的 PN 结，才能使用以上公式与曲线来 计算击穿电压 VB ： 结面为一平面，即平面结 结面与材料表面相平行 平行平面结 低掺杂中性区的厚度足够厚 然而实际上绝大多数 PN 结并不满足这些条件 ，这就必须 对计算击穿电压的公式加以修正。 （1）低掺杂区厚度的影响 P+ N+ N | max | c W W x 对于同样的 | max xdB 0 W | c ，当N 区足够厚时，即 W xdB V B 1 x dB c 但是当 W x dB 时，击穿电压变为： 2 xdB W c 1 xdB W VB 1 VB ' VB xdB W 2 xdB xdB 2 时， 当低掺杂浓 P+ N N+ 度区的厚度 小于空间电 W W | max | c 荷区在该区 的展宽时， x 雪崩击穿电 xdB 0 W 压随厚度的 2 2 x W W W dB • • VB ' VB 1 VB 2 2增加而增加。 2 VB •令 xdB xdB xdB W xdB 可见，VB’ <VB , 且W↓，则VB’ ↓，W→0 时， VB’ →0 。 （2） 结面曲率半径的影响 由扩散工艺形成的PN 结，在结面 的四周和四角会形成柱面与球面。 N xj P 结深 xj 越小，曲率半径就 越小，电场就越集中，击穿电 压VB 也就越低，且多发生在表 面而不是体内。 （2） 结面曲率半径的影响 如何避免曲面半径的影响 提高击穿电压的措施： 掺杂浓度要低、 低掺杂区的厚度要足够厚、 结深要深、 采用台面结构或场效应环结构。 2.5.2 齐纳击穿（隧道击穿） 隧道效应是指：由于电子具有波动性，可有一定的几率穿过 势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。 电子能量 B A 电子动能 x d EG xd 由于存在隧道效应，使价带中不具有EG 能量的A点电子可 有一定的几率穿过隧道到达导带中的B点，从而进入N 区形成反 向电流。经分析，A、B 两点间的隧道长度 d 可表为: EG d q | max | 由量子力学可知，隧道电流可表为： 4 2 m * EG I exp d 3h 随着反向电压的提高 ， max 增大，隧道长度 d 减薄， 使 反向电流增大。当反向电压增大到使 | max | 达到临界值时，d 变 的足够小，使反向电流急剧增大，这种现象就称为 齐纳击穿， 或隧道击穿。 Si 和 Ge PN结的齐纳击穿临界电场分别为 1200 kV/cm 和 200 kV/cm 。 2.5.3 两种击穿电压的比较 xd 雪崩击穿条件： 0 i dx 1 齐纳击穿条件： d EG q | max | 足够小 xd 较大时，即N0 或 a 较小时，较易发生雪崩击穿， xd 较小时，即N0 或 a 较大时，较易发生齐纳击穿。 EG EG V 6 V 4 一般说来，当 B B q 时为雪崩击穿，当 q 齐纳击穿。 对于 Si ，这分别相当于 7V 和 5V 左右。 时为 2.5.4 热击穿 E exp G kT j E P V I 0 exp G kT j I 0 ni 2 上式中V 为反向电压，Tj 为PN 结的结温。 反向电压 V↑ →功率P =V I0 ↑ →结温Tj ↑ → I0 ↑ 当 Tj 不受控制的不断上升时，将导致PN 结的烧毁，这就 是 热击穿。热击穿是破坏性的，不可逆的。 单位时间内散发掉的热量为： T j Ta Pd RT 式中 Ta 代表环境温度，RT 代表 热阻，其计算公式为： RT T L L A A 式中， T 与K 分别为材料的热阻率与热导率，L 与 A 分别 代表传热途径上的长度和横截面积。 当 P > Pd 时，Tj 上升； 当 P < Pd 时，Tj 下降； 当 P ＝ Pd 时，Tj 维持不变，达到平衡。 以下讨论两种情形。 （1） RT 较大，Pd ～Tj 直线的斜率较小，P 始终大于Pd ， Tj 不断上升，最终发生热击穿。 P P B P(Ta) Pd 0 Ta Tj A P(Ta) Pd Tj 0 Ta （2）RT 较小， Pd～Tj 直线的斜率较大，与曲线 P ～Tj 有 两个交点 A d， 有： dPdA 与 B 。在点A与点B，均有P = Pd 。在点 dP dP dP dT j dT j ，故点A是稳定平衡点。而在点B，dT j dT j ，故点 B 是不稳定平衡点。 已知 Pd T j Ta RT ，则 dPd 1 dT j RT ，将其代入 dPd dP dT j dT j 中， 可得稳定平衡的条件为： P Pd RT dP 1 dT j 可见，防止热击穿的最有效的措施是降低热阻 RT 。 此外，材料的EG 越大，则 I0 就越小，热稳定性就越好，所 以Si PN 结的热稳定性优于 Ge PN结。 §2-6 PN结电容 PN 结电容 势垒电容 CT 扩散电容 CD 2.6.1 PN结势垒电容 1）耗尽近似下的势垒电容 当外加电压有△V 的变化时，势垒区宽度发生变化，使势 垒区中的空间电荷也发生相应的△Q 的变化 ，如下图： Q Q Q Q P区 N区 PN 结势垒微分电容 CT 的定义为： CT lim V 0 简称为 势垒电容。 Q dQ V dV 2）突变结势垒电容 Q A xn qN D A2 s qN 0 1 2 Vbi V 1 2 2 s N A Vbi V xn qN D N A N D 于是可得： CT 上式中， N0 s qN 0 dQ A dV 2 V V bi N AN D NA ND 1 2 1 2 CT 由于势垒区总宽度 xd 可以表为： s qN 0 dQ A dV 2Vbi V 2 s Vbi V xd xn x p qN 0 1 2 所以 CT 又可以更简单的表为： CT A s xd 有时也将单位面积的势垒电容称为势垒电容。即： CT s A xd 1 2 对于 P N 单边突变结， N o CT A PN 对于 s xn N D , xd xn s qN D A 2 V V bi 1 2 单边突变结， N o N A , xd x p , CT A s xp s qN A A 2 V V bi 1 2 可见: CT 也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 ★外加电压的影响 当外加较大反向电压时，可将 Vbi 略去，得： CT s qN 0 A 2 V 1 2 V 1 2 ★衬底杂质浓度的影响 ★PN结面积的影响 3）线性缓变结的势垒电容 12 s Vbi V xd aq CT A aq A xd 12Vbi V s 2 s 当外加较大反向电压时： aq CT A 12 V 线性缓变结 2 s 1 3 1 3 V 1 3 1 3 s qN 0 CT A 2 V 突变结 为什么？ 1 2 V 1 2 4）扩散结的势垒电容 在硅平面工艺中，常采用杂质扩散工艺制造PN结。从表面 到冶金结面的距离，称为 结深，用 x j 表示。 P xj N x 由扩散工艺形成的实际 扩散结，其杂质分布既非突 变结，也非线性缓变结，而 是余误差分布或高斯分布： N(0) N(x) N0 0 xj x x N ( x ) N (0)erfc 2 Dt x2 N ( x ) N (0) exp 4 Dt 实际扩散结势垒电容 CT 的计算： 方法一：直接查曲线。 方法二：将实际扩散结近似看作单边突变结或线性缓变结， 然后用相应的公式 进行计算。 当结两侧的掺杂浓度相差很大，衬底掺杂浓度N0 很小，a 很 大，xj 很小，xd 很大（反向电压很大）时，可近似看作单边突变 结，在计算CT 时需要已知低掺杂一侧的杂质浓度，即衬底浓度 N0 。反之，则可近似看作线性缓变结，在计算CT 时需已知在 xj 处的杂质浓度梯度 a( xj )，这时应先通过方程：N ( x j ) N 0 求得结深 xj ，再由下式求出 a( xj ) : a( x j ) dN ( x ) dx x x j 也可查47页图2-47求得 2.6.2 PN结小信号交流特性与扩散电容 1）交流小信号下的扩散电流 当 PN 结的外加电压为： V V0 v V0 V1e j t V0为直流电压，且 V0 kT q V1为迭加在直流偏压上的交流小信号电压的振幅 V1 kT q jt e cos t j sin t ω为角频率 ， 则 PN 结的扩散电流也具有如下形式： I I F i I F I 1e j t 类似PN结直流电流电压特性的分析求解交流电流方程： 第一步：利用PN结结定律确定边界条件 第二步：在边界条件下求解连续性方程求解载流子浓度 第三部：利用电流密度方程求电流 以N区中的空穴扩散电流为例，取N区与势垒区的边界为 坐标原点，由边界条件可得边界处的少子浓度为： q pn (0, t ) pno exp (V0 V1e j t ) kT kT V 1 q qV1 qV0 qV0 j t pn (0, t ) pno exp p exp e no kT kT kT p0 (0) p1 (0)e j t p1 (0) pno qV1 qV0 exp kT kT 在ω不太高的情况下，可以假设在N 区内任意位置 x 处， pn ( x , t ) 也由直流分量和交流小信号分量组成，即： pn ( x, t ) p0 ( x ) p1 ( x )e j t p n 2 pn pn Dp t x 2 并将方程分拆成不含 e j t 和含 e 0 Dp j p1e j t j t 的两个方程： d 2 p0 p0 dx 2 Dp d 2 p1 j t p1 j t e e 2 dx d 2 p1 j t p1 j t j p1e Dp e e 2 dx d 2 p1 x 1 j p p1 x 0 边界条件 2 2 dx LP j t 1 x 1 j 2 qV1 p1 ( x ) p0 0 exp kT Lp p1 (0, t ) p0 0 qV d qV1 kT pn e kT p1 () 0 qV1 kT 将 p1 ( x ) 同样的代入到空穴的电流方程中，可得到空穴扩 散电流的交流分量： j dp J dpo 1 qV1 (1 j ) 2 e j t kT 同理可得电子扩散电流的交流分量为： j dn J dno 1 qV1 (1 j ) 2 e j t kT 于是可得 PN 结正向扩散电流中的交流分量为： i A( j dp j dn ) I F 1 qV1 (1 j ) 2 e j t I 1e j t kT 1 上式中： I1 I F qV1 (1 j ) 2 kT 2）交流导纳与扩散电容 PN 结的小信号交流导纳为： 1 I1 I F 1 I1 qI F Y (1 j ) 2 V1 kT 在 1 的情况下，由近似公式：(1 j ) 1 2 qV1 (1 j ) 2 kT 1 1 j ，得： 2 qI F qI F Y j g D j C D kT 2 kT qI F 上式中， g D kT ，为PN 结的 直流电导， qI F g CD D ，就是PN 结的 扩散电容。 2kT 2 由上式可见，CD 与正向直流偏流成正比，即：C D I F 扩散电容的物理意义： P区 Q pp Qnn N区 p p0 Qnp pn 0 n p0 V1 V Q pn nn 0 x N 区： Q pn （同时产生： Qnn ） P 区： Qnp （同时产生： Q pp ） ( Q pn Qnp ) Q C D lim lim V 0 V V 0 V 对于 P N 单边突变结，Q pn Qnp , Q Q pn , 也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。 可见 CD 势垒电容与扩散电容的区别： CT A s xd 势垒区中电离杂质电荷随外 加电压的变化。 正负电荷在空间上是分离的。 与直流偏压成幂函数关系。 正偏反偏下均存在。 可作电容器使用。 要使 CT↓， 应使 A ↓, xd ↑ （N ↓, 反偏↑）。 qI F 2kT 中性区中非平衡载流子电荷随 外加电压的变化。 正负电荷在空间上是重叠的。 与直流电流成线性关系，与直 流偏压成 指数关系。 只存在于正偏下。 不能作电容器使用。 要使 CD↓, 应使 IF ↓ （A ↓, 正 偏↓）， τ ↓。 CD 二极管的 交流等效电路： CT CD rs gD gl 图中 gl 为 漏电导，取决于 PN 结的加工质量与清洁程度， rs 为 寄生串联电阻 。这两个都是非本征元件。 §2-7 PN结的开关特性 由于PN 结具有单向导电性，故可用作开关。 理想开关的特性： 直流特性：“开” 态时电压为 0，“关” 态时电流为 0 。 瞬态特性：打开的瞬间立即出现稳态电流，关断的瞬间电 流立即消失。 2.7.1 pn开关特性 1) pn结直流开关特性 正向时: rs E1 0 If rs I f VF RL 理想情况： V f 0, If E1 RL 实际情况：V f VF rs I f , I f E1 VF rs I f 当 E1 VF rs I f 时，I f RL E1 , RL , 或：I f E1 VF RL rs 这时If 只取决于外电路。 可见，rs 越小，E1 越大，则越接近于理想情况。 反向时: E2 0 Ir gl RL 理想情况： I r 0 实际情况： I r I o E 2 I r RL g l , 或 I r I o E2 g l 1 RL g l 当 gl 很小时， I r I o , 另外，为增大 If 与 Ir 之间的差别， 也应采用较大的 E1 。 2) 瞬态开关特性 实际 PN 结的电流随阶跃电压的变化情形： E E1 E 2 RL 2 0 Ir gl E t 0 -E2 E1 RL I ts tf I0 t t s 称为 存储时间，t f 称为 下降时间，t r= t s+ t f 称为 反向恢复时间。t r 持续的过程称为 反向恢复过程。 当E= -E2 的持续时间小于t r 时，PN 结在反向时也处于导通状态，起不 到开关的作用。 RL 3) 反向恢复时间 ※反向恢复过程的分析 引起反向恢复过程的原因，是PN 结在正向导通期间存贮 在中性区中的非平衡少子电荷。 现以P+N 结为例。正向稳态时有： qV x p n x p no exp 1 exp kT Lp pn (0) pn ( x ) N区 If Q0 pn 0 x qV Q0 Aq pn x dx AL p qpno exp 1 0 kT Dp dpn x qV I f AqD p Aq p exp 1 x 0 no dx Lp kT 由此可得正向稳态时 Q0 与 If 之间有关系： Q0 L2p Dp I f p I f , 或 If Q0 p 上式将作为后面求解电荷方程时的初始条件，同时后一个式子就是空穴 连续性方程的积分形式在稳态时的简化形式。 当电压由E1 突然变为(-E2 )时，正是这个存贮在N 区中的非平衡少子电 荷Q0 为反向电流提供了电荷来源。 在t r 期间，设PN 结上的电压为V(t)，则I r 子的变化情形如下图所示： E 2 V t , N区中非平衡少 RL V (t ) E2 0 Ir RL 曲线 1 表示在E 由 E1 变为(-E2 )的一瞬间，此时： qV pn (0) pno exp , kT V VF , E VF E 2 Ir 2 RL RL 曲线 1～4 为存贮过程，即 t s 期间： qV pn (0) pno exp pno , kT V VF 0 , Ir E1 0 -E2 E1 RL E2 RL I ts E2 VF E 2, RL RL 这期间 Ir 变化不大。 曲线 4～6 为下降过程，即 t f 期间： pn (0) pno 接近于 0 , V 0 E2 , Ir 0 -E2 E1 RL E2 RL I tf E2 I0 RL ※电荷控制方程 2 p p p Dp 2 x t p 两侧乘以Aq,并在整个N区内对x进行积分 i p (0, t ) i p ( wn , t ) i p (0, t ) Q p t QP P Q p t QP P i p ( wn , t ) 0 某一区域同一种载流子电 流的流出与流入的差，一 部分用于载流子的积累， 一部分用来补充由于复合 所造成的载流子的减少。 ※t r 的计算 计算时仍 以 P N 结为例。在N区使用空穴的电荷控制方程， 即： Ip dQ p dt Q p p 为与本节的符号相一致，现将 Ip 写作 Ir ， 将△Qp 写作 Q ， dQ p d (Q po Q p ) dQ p dQ dt dt dt dt dQ Q dt p 即可得： Ir 或： dQ Q I r dt p 上式是一个关于N 区中非平衡少子电荷的微分方程。 从式中可以明显 地看出，存贮电荷的消失有两个途径，即 Ir 的抽取与复合。 初始条件为，当 t = 0 时： Q (0) Q0 p I f 为使求解方便，假设在整个 t r 期间， Ir 保持 (E2/RL )不变， 则此微分方 程的解为: t Q(t ) p ( I f I r ) exp( ) p I r , (0 t t r ) p 当 t t r时， Q(t r ) 所以令上式为 0, 0，可解出t I f Ir t r p ln Ir 上式中， I f E1 E , I r 2 , 均取决于外电路。 RL RL r ： ※减小 t r 的方法 (1) 从电路上，应采用尽量小的 If ( 使存贮电荷Q0 = τp If 小) 和尽量大的 Ir ( 加快对Q0 的抽取) 。 (2) 从器件本身，应降低少子寿命 τp ，这一方面可减少正向 时的存贮电荷Q0 = τp If ，同时可加快反向时电荷的复合。 通常 可采用掺金、掺铂、中子辐照或电子辐照等方法来引入复合中 心，从而使 τp 减少。 (3) 还应当尽量减薄轻掺杂一侧中性区的厚度。这可以使 存贮在该区的少子电荷减少。 厚基区 pn (0) 薄基区 pn 0 0 x WB §2-8 PN结二极管 介绍几种有代表性的二极管。 1、整流二极管： 定义:允许电流从一个方向通过，而另一个方向呈现高阻 断状态的器件。 这种器件应用了PN结最基本的正反向电流-电压特性，即 正向动态电阻小，反向动态电阻大的特点。 qV J J o exp 1 kT qI gF 0 e kT qVF kT qVF kT rF kT e qI 0 qI F kT kT qI F I qI 0 qVkTR gR e 0 kT rR kT e qI 0 qV R kT 0 VB I0 V 2、稳压二极管 利用PN结击穿特性而稳定工作电压的器件。 稳定工作电压依据击穿电压设计。 I VB I0 V 3、快恢复二极管 快恢复二极管具有极高的开关速度，可通过引入复合 中心使PN结的反向恢复时间大大降低。 4、pin二极管 pin二极管是本征区（i区）夹于p型层和n型层之间。 i区 常常为低掺杂的n或p区。功率二极管常采用这种结构。 5、变阻器 变阻器是利用pn结正向的非欧姆特性制得的器件。 6、变容二极管 定义：利用PN结势垒电容随外加 偏置电压非线性变化而工作的器件。 一般工作于反向偏置状态。 势垒电容随偏置电压变化的速率 与掺杂浓度及分布有关。 p+n结n区一侧的掺杂分布为： N D x Bx m B为某一常数；m=0，均匀分布；m=1，单边线性缓变结； m＞1，单边指数缓变结；m＜0，超突变结。单位面积势 1 垒电容为： m 1 m 2 qB s CT V m 2 V V bi 6、变容二极管 qB sm 1 CT V m 2Vbi V 1 m 2 m 3 dCT 1 Vbi V m 2 dV m2 电容随偏压的变化： 超突变结最大；突变结次之；缓变结最小。 7、隧道二极管 (详细内容可阅读施敏著《半导体器件物理》第3版316-328页） 定义：简并p型半导体与简并n型半导体构成的PN结所制 成的器件。 平衡：结两侧费米能级恒定，在费米能级以上结两侧都没有 电子；在费米能级以下，结两侧都没有空态（空穴），因此， 当外加电压为零时，没有隧穿电流。 当有外加偏压时，电子可从导带隧穿到价带，或从价带隧穿到 导带，其条件是(1)一侧有被占据的能态；(2)另一侧的相应能 级未被占据。占据的能态与未被占据的能态重叠的区域越宽， 隧穿电流越大。隧道二极管的负阻特性可用于振荡器。