半导体物理与器件第七章.ppt

7.3 反偏pn结的偏置状态,反偏状态下，外加电场方向和内建电场相同。,反偏：在p、n区之间施加一个反向电压为反偏。,反偏电压几乎全部施加于空间电荷区，而中性区电压几乎为0,7.3 反偏,外加电场的存在将会使得能带图中N型区的费米能级往下拉，下拉的幅度等于外加电压引起的电子势能变化量。此时，PN结上总的势垒高度增大为：,反偏pn结的空间电荷区宽度,空间电荷量增大,反偏电压,空间电荷区电场增强,势垒升高,空间电荷区宽度增加,将零偏时空间电荷区宽度公式中的Vbi用Vbi+VR=Vtotal代替，即可求出反偏时的空间电荷区宽度。,例7.3,空间电荷区的电场增强，电场强度和电荷的关系仍然如泊松方程所描述。,由于xn和xp增大，因而最大场强也增大。将xn或xp中的Vbi替换为Vbi+VR可得到：,加反偏电压后，pn结空间电荷区宽度、电荷量及电场的变化。,可以看到，随着反偏电压的增加，空间电荷去的电荷量也随之增加。类似于电容的充放电效果，因而反偏pn结可以表现为一个电容的特性,势垒电容的定义：,其中，变化的电荷数量为增加（或减少）的空间电荷区宽度内的电荷数量，因而其值为:,可以看到，电荷的变化量，正比于空间电荷区宽度的变化量。空间电荷区宽度与反偏电压的关系为：,则可以得到：,可以看到，势垒电容的大小与s(材料）、Vbi（掺杂水平）、Na、Nd及反偏电压等因素有关。可以发现：,这表明势垒电容可以等效为其厚度为空间电荷区宽度的平板电容,例7.5,注意：势垒电容的单位是F/cm2,即单位面积电容,单边突变结电容：,假设有p+n结，即pp0nn0,NaNd，相应有：,势垒电容和反偏电压有关系：,可以看到，单边突变结的C-V特性可以确定轻掺一侧的掺杂浓度。这是C-V法测定材料掺杂浓度的原理。,非均匀掺杂pn结线性缓变的PN结实际的PN结制造过程（外延、扩散或离子注入工艺）往往形成的是一个近似线性缓变的PN结。N型掺杂浓度与P型掺杂浓度相等之处，即为PN结界面的位置，也就是冶金结的位置。,线性缓变pn结的特性,电势分布可以进一步求得：,假设-x0处的参考电位为零，则可以求出：,在x0处即为该pn结的接触电势差：,如果采用和突变结类似的内建电势差公式，则有：,当外加反偏电压为VR时，则耗尽区相应展宽，并且在整个耗尽区内电场的积分为Vbi+VR，即：,注意：隐含了两侧掺杂浓度梯度相同的假设,可求得：,与突变结类似地，我们还可以求得势垒电容：,从上式可以看出，线性缓变pn结的反偏势垒电容与成正比，也即：与线性掺杂pn结相比，均匀掺杂的pn结势垒电容的大小对反偏电压更为敏感。,超突变的PN结 对于一个单边突变的PN结，我们考虑更一般的情况，即当x0时，N型区的掺杂浓度可表示为：N=Bxm当m=0时，即为均匀掺杂的情形；而当m=1时，即为线性缓变PN结的情形；当m为负值时，即为所谓的超突变掺杂的PN结。采用类似的分析方法，我们可以求得超突变掺杂PN结单位面积的耗尽区电容为：,超突变掺杂pn结的杂质浓度分布示意图,由上式可见，当m为负值时，超突变掺杂pn结的耗尽区电容随外加反向偏压得变化十分明显，这正是变容二极管所要求的。当变容二极管与某个电感相并联时，其谐振频率为：,变容二极管的电容可表示为：,在电路应用中，我们总是希望谐振频率能够与控制电压成线性变化关系，即要求,由此得到：,小结均匀掺杂同质pn结空间电荷区（极性）、耗尽区、势垒区内建电场（方向）、内建电势差pn结热平衡态（零偏），内建电势差大小耗尽区假设、空间电荷区宽度反偏pn结，势垒电容非均匀掺杂，线性缓变结超突变结、变容二极管的概念,本章作业题,7.17.167.187.32,谢 谢,