固态电子器件ppt课件.ppt

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1、固 态 电 子 器 件Solid State Electronic Devices,教材：张鹤鸣 张玉明 曹全喜,课程内容,Ch1 pn结二极管Ch2 双极型晶体管Ch3 JFET与MESFETCh4 MISFETCh5 电力电子器件Ch6 CCD器件Ch7 LED器件Ch8 光电探测器Ch9 半导体太阳电池Ch10 片式元器件,电子器件,光子器件,无源器件,3,第一章 pn结二极管,1.1 pn结基本物理特性1.2 pn结基本电学特性1.3 异质结1.4 pn结二极管,引 言二极管： 具有某种电学功能的二端器件。从二极管的结构划分，可分为pn结二极管，金属-半导体接触二极管( 肖特基二极管)

2、和金属-氧化物-半导体二极管(MOS二极管)等 本章主要讨论由pn结构成的二极管pn结： 所谓pn结，是指采用某种技术在一块半导体材料内形成共价键结合的p型和n型区，那么p型区和n型区的界面及其二侧载流子发生变化范围的区域称为pn结 pn结的形成： 形成pn结的技术有多种，目前采用的主要有 离子注入、扩散 化学气相淀积 硅片直接键合等技术,离子注入、扩散技术, 化学气相淀积技术（Chemical Vapor Deposition -CVD),硅片直接键合技术(Silicon Direct Bonding-SDB),n结掺杂分布 均匀分布：pn结界面二侧p型和n型区杂质浓度均匀分布突变结,常用概

3、念 pn结结深- pn结材料表面到pn结界面的距离，用xj表示 。 单边突变结对于突变结，若p型区掺杂浓度远高于n型区掺杂浓度，或反 之，则将该pn结称为单边突变结。 如果：，用pn表示；，用pn表示。 线性缓变结-对于缓变结，若结深附近杂质浓度的分布梯度可以用线性近似，则称为线性缓变结，即 dN(x)/dx|x=xj = C 理论上为分析问题简单方便，通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。 同质pn结(同质结) - p区和n区是同一种半导体材料( p区与n区禁带宽度相同)。目前，应用最广泛的Si器件及集成电路是同质结结构。异质pn结(异质结) - p区和n区是二种不同的半导体材料(p区与

4、n区禁带宽度不同)。目前，发展和应用的GaAs基与SiGe/Si器件及集成电路是异质结结构。 异质结特殊的物理性能构成了高速半导体器件与集成电路的基础。 本章及本教材将对异质pn结及器件专门讨论，其余将只涉及同质pn结。,1.1 pn结基本物理特性,1.1.1 平衡pn结 平衡pn结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。 基本特征：形成空间电荷区，产生自建电场， 形成接触电势差，能带结构变化。,一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例) 物理过程：Pp (NA) Pn ，nn (ND) np； 2. p区和n区多子分别向对方扩散；3. 界面p区侧留下固定离化受主负电荷， n

5、区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为空间电荷，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷区。4. 正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5. 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建 电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量 正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形 成稳定分布。8. 电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。,pp,np

6、,nn,pn,一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例) Pp (NA) Pn ，nn (ND) np； 2. p区和n区多子分别向对方扩散；3. 界面p区侧留下固定离化受主负电荷， n区侧留下固定的离化施主正电荷； 该正负电荷称为空间电荷，存在正负 空间电荷的区域称为空间电荷区。4. 正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；5. 自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；6. 随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建 电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（

7、漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、 正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形 成稳定分布。8. 电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。,二、接触电位差与载流子分布 A. 自建电场: 由空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零，则可求出平衡pn结自建电场。 对于空穴流密度有 Jp- 空穴漂移流密度； JpD - 空穴扩散流密度； p- 空穴迁移率； Dp - 空穴扩散系数； P(x)-空间电荷区内空穴浓度分布。 那么自建电场 利用空间电荷区内电子流密度得到同样形式的自建电场强度表达式。,B. 接触电位差 自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由

8、 p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用表示。 在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到接触电位差,C. 能带结构 孤立p区和n区能带结构如下图 空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么(x)、能带结构如图示,费米能级: 对于平衡pn结，只要确定费米能级位置，则可得到其能带结构。 设(-xp)=0，有 Ei(x) = Eipq

9、(x) 式中Eip为中性p区本征费米能级，对上式微分有,利用上式及,及,有,即,上式表明平衡pn结费米能级处处相等。 由此可得到平衡pn结能带结构如图所示,D. 空间电荷区载流子分布 基于半导体物理知识，空间电荷区内任一点x处空穴和电子的浓度分布分别为,利用：Ei(x) = Eipq(x),上式相乘，有,该式说明平衡pn结空间电荷区内电子和空穴浓度的积与中性区一样，仍为本征载流子浓度的平方。,E. 耗尽层近似 空间电荷区内电子和空穴的浓度分布如上图所示。但是在后续章节中常采用耗尽近似，即认为电子和空穴浓度在空间电荷区边界之内突变为零。 空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅

10、速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中性区相应的多子浓度相比可以忽略。所以，在进行某些理论分析时，常采用耗尽近似。据此空间电荷区又被称为耗尽区，或耗尽层。 另外，从能带结构图可见，p区电子能量比n区高qVD，n区空穴能量比p区高qVD，多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒。因此，空间电荷区又被称为势垒区。 空间电荷区=耗尽区=耗尽层=势垒区,1.1.2 非平衡pn结,定 义：施加偏置电压的np结。此时称pn结处于非平衡状态。 正向偏置：偏置电压使p区电位高于n区电位 反向偏置：偏置电压使n区电位高于p区电位 特 征-与平衡pn结相比： 空间电荷区内电场发生变化; 破坏了载流子扩散、漂移的

11、动态平衡； 空间电荷区宽度变化；能带结构变化；载流子分布变化； 产生新的物理现象-形成电流： 正向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动，形成净扩散流-称为正向电流。 反向偏置条件下：空间电荷区内电场强度被增强，载流子漂移运动大于扩散运动，形成净漂移流-称为反向电流。,一、空间电荷区电场和空间电荷区宽度 突变结A. 电场分布 电场分布由泊松方程描述。 正、负空间电荷区内泊松方程(耗尽层近似)分别为:,xp x 0,0 x xn,边界条件：(-xp）=(xn)=0 有,xp x 0,0 x xn,在x=0,即界面处有最高电场强度：,可见: 突变结空间电荷区电场线性分布

12、。,B. 空间电荷区宽度 设: pn结外加偏压为VA：VA0为正偏， VA0为反偏。 那么, 空间电荷区二侧边界间电位差: (VD一VA) 将电场积分,式中xm=xn+xp，为空间电荷区总宽度，解上式有,* (正偏) (反偏); 掺杂浓度越低，空间电荷区越宽; 正偏时空间电荷区变窄，并且正偏越高空间电荷区越窄; 反偏时空间电荷区变宽，反偏越负空间电荷区越宽; 空间电荷区主要扩展在低掺杂一侧单边突变结定义的物理意义。,2线性缓变结 特 征：正、负空间电荷区宽度相等xp=xn= xm。A. 电场分布 线性缓变结结面附近施主、受主杂质浓度分布为,式中 为杂质浓度分布梯度，取正值。 在耗尽近似条件下，

13、空间电荷内正、负电荷密度为,泊松方程描述为,边界条件：,有：,最大电场,P区侧,N区侧,B.空间电荷区宽度,xm与偏置电压及掺杂浓度梯度关系同突变结相似。,解,有,*,越低，xm越大；,二、能带结构和载流子分布 A. 能带结构,正向偏置-电压为VF： 中性n区能带相对p区上移，势垒高度下降qVF -q(VD - VF )。,反向偏置-电压为VR(VR0) ： 中性n区能带相对p区下降，势垒高度上升q|VR|- q(VD -VR )。,势垒高度变化导致：空间电荷区内费米能级不再连续；电子和空穴没有统一费米能级，通常分别用EnF和EpF表示。EnF和EpF分别称为电子与空穴的准费米能级。,正 偏,

14、反 偏,反偏： 空间电荷区电场被加强，载流子漂移运动大于扩散运动； 载流子浓度在空间电荷区及边界处低于其平衡值； 中性区平衡少子向空间电荷区内扩散； 使扩散长度范围内少子浓度低于其平衡值； 载流子低于平衡值就要有产生； 扩散进空间电荷区的载流子与产生的载流子动态平衡时，反偏 载流子达稳定分布。,B. 载流子分布,正偏： 空间电荷区电场被削弱，载流子扩散大于漂移； 载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值； 边界处非平衡少数载流子向体内扩散； 边扩散边与多子复合，在少子扩散长度处近似等于平衡少子浓度。,定性解释,空间电荷区内载流子浓度分布：,（-xp）处少子电子浓度：,仍设pn结外加偏压为VA，

15、VA0为正偏，VA0为反偏,空间电荷区边界载流子浓度：,因为 EnF = EpF + qVA ，Ei(-xp) =Ei p中性p区本征费米能级,所以,（xn）处少子空穴浓度，同理可得：,空间电荷内及其边界电子与空穴浓度的积：,a. 非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴 浓度的积相等，且是偏置电压的e指数函数。b. 非平衡pn结空间电荷区边界少子浓度为平衡 少子浓度与偏置电压e指数函数的积。,# 1.空间电荷区载流子对电场的影响：,将,表达式中的VD用（VD 2KT/q)代替即可,2.反型区 单边突变结中在低参杂侧存在反型区,1.2 pn结基本电学特性,1.2.1 直流特性一、载流子输运即电

16、流形成过程：,正 偏-电场被削弱 载流子扩散运动大于漂移运动; 空间电荷区内及其边界电子和空穴浓度高于平衡值; 电子向p区扩散，空穴向n区扩散-称为非平衡少子注入; 非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。 被复合多子从外电极提供，构成-正向（扩散）电流 。 #非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区。,反 偏-电场被加强,区,n区,自建,外,xm,+,载流子漂移运动大于扩散运动； 空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值； 扩散长度范围内少子向 xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方； 扩散长度内少子浓度低于平衡值； 扩散长度内产生电子-空穴对； 产生的多子漂移向电极；

17、 产生的少子向 xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极- 形成反向（漂移）电流。 # 载流子的产生区也称为少子扩散区。,Ln扩散区,Lp扩散区,二、伏安特性方程,1、思 路：A. 空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度不一定相等； 任一截面的空穴流密度与电子流密度之和却相等，即为pn结的总电流； 求出空间电荷区一侧边界空穴流密度和电子流密度，二者之和则构成pn结 电流密度。,B. 忽略空间电荷区内载流子的产生和复合，即空间电荷区二侧边界处电子流密度与空穴流密度各自分别相等； pn结电流则可用p区侧边界电子流与n区侧边界空穴流密度之和表示。,C. 分别求解少子电子和少子空

18、穴在其扩散区的载流子连续性方程，可得到非平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数; 根据扩散方程，即可求得空间电荷区p区侧边界处的电子流密度，n区侧边界处处空穴流密度。,2、空穴在其扩散区内连续性方程：,边界条件：pn() = pn0 p(xn) = pn0exp(qVA/KT),那么,同理,一般 Ln Lp,Jn、Jp：等效为,3、pn结电流密度（伏安特性方程）：,方程对正偏、反偏pn结都成立。若反偏时VA KT/q，那么,-称为反向饱和电流，Js表示。,伏安特性方程又可表示为：,上述电流-电压方程是在Wp Ln，Wn Lp条件下获得的，Wp和Wn分别为p区和n区宽度。 若Wp Ln

19、，Wn Lp，那么非平衡少子在扩散区的复合可以忽略，同时由于在电极接触处载流子复合速度极高，非平衡载流子浓度近似为零，因此非平衡少子浓度近似线性分布。伏安特性方程成为,1,4.注入电流比,注入电流比主要取决于p区与n区掺杂浓度比；NA ND （ p+n）, 电流主要是空穴流；ND NA （ n+p），电流主要是电子流。,伏安特性理论曲线,Si -pn结理论曲线与和实验曲线的示意图,5. 影响因素分析,反 偏： 空间电荷区载流子浓度低于平衡值； 载流子的产生率高于复合率，空间电荷区内存在净的产生电流； 反向电流是反向扩散流与产生流之和。 Si(和GaAs)等本征载流子浓度较低，空间电荷区内载流子

20、产生流在反向电流中起支配作用，所以理论值与实验值相差较大。 e本征载流子浓度较高，反向扩散流远远大于产生流，理论值与实际符合较好。,正偏小电流： 空间电荷区内载流子浓度高于平衡值； 载流子的复合高于产生，有净的复合流； 正向电流应为正向扩散流与空间电荷区净复合流之和。 Si和GaAs，在电小流时，复合电流起支配作用，影响不可忽略;随电流密度增大，复合电流的影响减小，理论与实验逐渐相符。 Ge pn结，正向扩散流密度远高于复合流，在正向电流密度不是很大时，理论曲线与实验数量符合较好。,正偏大电流：,非平衡少子在扩散区积累，电中性被破坏； 扩散区有与非平衡少子同样浓度和同样浓度梯度的非平衡多子积累

21、； 非平衡多子扩散形成电场； 该电场对外加电压形成分压。 中性区体电阻欧姆压降对外加电压形成分压。,n区,小电流密度时，对外加电压分压可忽略小注入；大电流密度时，对外加电压分压不可忽略，使空间电荷区内的压降低于外加偏压，因此实验曲线偏离理论曲线大注入效应,#正向电流包含正向扩散电流和复合电流，反向电流包含反向扩散流与产生电流，这些电流都是本征载流子浓度的函数。 本征载流子浓度强烈地依赖于温度，因此，正、反向电流都随温度的升高而增大。,1.2.2 pn结电容和等效电路,一、势垒电容 空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化-体现为电容效应，称为pn结势垒电容。 pn结单位面积势垒电容用C

22、T表示。 突变结：单位面结正、负电荷量为,线性缓变结：,势垒电容：,单位面结电荷量：,# 反偏势垒电容小于正偏势垒电容，且反偏越高，势垒电容越小，正偏越高，势垒电容越大；突变结掺杂浓变越低，缓变结杂质分布梯度越小，势垒电容越小；势垒电容是在载流子耗尽近似下导出-势垒电容又称耗尽层电容。,二、扩散电容,扩散区积累的非平衡少子随外加偏置电压的变化而变化，载流子带有电荷，体现为电容效应，该电容发生在扩散区-称为扩散电容，用表示。,设n区单位面积扩散区积累的非平衡少子空穴电荷为P：,那么,同理,单位面积扩散电容：, 反 偏：非平衡少子随反偏变化量很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。 正 偏：扩散电容

23、随偏压增大指数增加，可表示为,由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。,三、等效电路,势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数； 势垒电容与扩散电容相并联； 中性区及与外电极接触处存在电阻。,势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体 器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。,1.2.3 pn结击穿,定义：反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。 相应反偏电压称为pn结击穿电压。 击穿是pn的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，p

24、n结则会因功耗过大而被热损坏。,1. 热击穿 pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量； 扩散流表达式中平衡少子： pno = ni/ND npo = ni/ NA,Pc,|R|,Tj,IR,ni,IR,反向偏压,功 耗,结温,niT3 exp(-Eg0/KT),击 穿,反向电流密切依赖于本征载流子浓度。,产生电流正比于ni,2. 隧道击穿 隧道效应-电子具有波动性，它可以一定几率穿过能量比其高的势垒区，这种现象称作隧道效应。 隧道击穿-pn结反偏下，p区价带顶可以高于n区导带低，那么p区价带电子可以借助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压达到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种

25、现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。,3. 雪崩击穿 碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电离。 雪崩倍增效应-产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。 雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。,各种击穿机制特征： 热击穿-负温度系数,软击穿. 隧道击穿-负温度系数,软击穿.,击穿电压大于g/q时，通常为雪崩击穿。 目前常见击穿为雪崩

26、击穿。 击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。,雪崩击穿-正温度系数,硬击穿.,1.3 异质结异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。类 型：异型异质结-导电类型不同的两种材料形成的结(异质pn结) ； 同型异质结-导电类型相同的两种材料形成的结(n-n结)(p-p结) 。异质结pn应用： 微电子器件-提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。 光电子器件-提高器件效率等。主要异质结材料： 关注的主要有aAs基材料，如AlxGa1xAs/GaAs、InxGa1xAs/GaAs； Si1xGex/Si，等。式中x表示该元素的百分比组分。 改变x可实现禁带宽度的调控。本节介绍异型异质结（

27、异质pn结，以下简称异质结）主要物理特性和电学特性。,1.3.1 异质结物理,一、平衡异质结能带结构,特 征：载流子进入对方的势垒不同,二、基本物理特性 1.电场分布设：掺杂浓度分别为和；介电常数分别为p S和n S。 耗尽层近似条件下，由泊松方程很容易得到：,xp x 0：,0 x xn：,特征：场线性分布； 电场在界面处不连续； 电位移失量连续。,2. 接触电位差-D表示 空间电荷区p区侧-P n区侧-n,正、负空间电荷区电位差与掺杂浓度间的关系： VDp/VDn = n s ND/p s NA,3. 空间电荷区宽度,联解上述方程,非平衡异质pn结-将上式中用（）替换，则是非平衡异质pn结

28、各相应的物理参数。 -表示； -反偏。,P区侧：,N区侧：,4. 势垒电容 将xmp与xmn分别乘离化电荷密度qND和 qND，并将式中用（）替换，则有空间电荷区正的或负的电荷量 :,那么，单位面积势垒电容,其与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同,空穴从p区到n区跨越势垒高度仍为（qVDE）。,三、电流-电压特性,1. 异质pn结基本能带结构形式 (n区宽带p区窄带为例) ：,2. 载流子势垒,图a)和(c)所示异质结：电子从n区导带渡越到p区导带跨越的势垒高度为（qVD-EC）；空穴从p区价带到n区价带跨越的势垒高度为（qVD+Ev）。,图(b)所示异质结：电子从n区导带到p区导带跨越势垒

29、高度为qVDn；,3. 特征: 电子从n区到p区渡越的势垒低于空穴从p区到n区的势垒; 电子流与空穴流的注入比可以远大于同质结。,4.电流-电压特性 (a)所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结:,形式与同质pn结相同，但少子密度项表示有差别,(b)所示的高势垒异质结 :,5 . 注入电流比,(a)所示低势垒异质结和图(c)所示的缓变异质结:,(b)所示的高势垒异质结 :,同质结：,异质结注入电流比高与同质结,1.4 pn结二极管 介绍若干有代表性的pn结二极管。 1.4.1 整流二极管 1.4.2 开关二极管 1.4.3 变容二极管 1.4.4 pin二极管,1.4 pn结二极管,介绍若

30、干有代表性的pn结二极管。 1.4.1 整流二极管 1.4.2 开关二极管 1.4.3 变容二极管 1.4.4 pin二极管,1.4.1 整流二极管,正偏pn结电导gF和动态电阻rF:,反偏pn电导gR和动态电阻rR :,正反向动态电阻之比:,电阻之比极高-整流特性。,1.4.2 开关二极管,定义:作开关应用的pn结称为开关二极管。 开关二极管是运用了pn结正向电流大，反向电流小的特性。 主要电特性参数为开关响应时间。,t 0: 输入电压()，电流为反向饱和电流I。,t=0: 输入电压(), 达稳定状态时正向电流为,( Vj ),t=t1: 输入电压跃变为,电流瞬时反向,并在ts时间内近似不变

31、，为,1.基本开关特性,2. 开关特性分析,t 0: 输入电压()，电流为反向饱和电流I。,t=0时: 输入电压跳变为(), 但由于pn结电容效应，电容二端的反向电压不能突变，所以此刻，正向电流跳变为,t0时:随电容充电，pn结电压逐渐上升。稳定时达Vj, 正向电流为,t=t1时：电压跃变为,输入电压反向，pn结电容的压降仍为Vj。此时反向电流跳变为,t t1时：势垒电容和扩散电容的放电,Vj逐渐下降到零，之后pn结进入反偏状态，随载流子的释放电流迅速下降，逐渐达到反向饱和电流IR,3. 基本开关参数,ts =t2-t1-储存时间tf(t2)-下降时间,机理：pn结空间电荷区电荷和扩散区非平衡

32、少子电荷再分布过程所用的时间。,载流子消失途径：1 . 抽取； 2.复合,ts + tf 称反向恢复时间； 若ts + tf大于负脉冲宽度，二极管不能有效关断,减小ts + tf 措施：减小QS: 降低正偏，减小少子寿命；加速QS消失：增大I2，减小少子寿命。,1.4.3 变容二极管(可变电抗器),定义：利用pn结势垒电容随外加偏置电压非线性变化特性而工作的器件。一般工作于反偏。,应用：混频、检波、电压调谐，等，希望dC/dV大,2.基本特性: 1. pn结单位面势垒电容为 （解泊松方程）,电容随偏压的变化 -超突变结最大; 突变结次之; 缓变结最小。,fc-储存能量与消耗能量相等时的频率。截

33、止频率越高，品质因数越大。,2. 特性参数 1). 品质因数:结电容容抗与寄生串联电阻之比，用Q表示,Q-变容二极管储存能量与消耗能量之比,2).截止频率：,品质因数下降为时的工作频率，用fc表示,Rs小，Q与fc高,1.4.4 pin二级管,1. 基本结构 pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层（i区）的二极管。本征层很难实现，通常用高阻p-型层或高阻n-型层代替： pp-n-pn; pn-n-pn图 (b)-杂质分布; (c)-空间电荷分布; (d)-电场分布。,2.电荷分布,in:负电荷在p区侧，正电荷在n区侧,-n-pn:负电荷在p区侧和p-，正电荷在n区侧,n-n-pn:负电荷在p

34、区侧，正电荷在n区侧和n-,3.电场分布,3. 基本特性 势垒电容近似常数：,击穿电压高：,储存时间（电荷消失时间）短：,m-临界击穿电场,少数载流子寿命,(IR If),1.4.5 江崎二级管,定义：简并p型半导体与简并n 型半导体构成的pn结,伏安特性(经验公式)：,Ip：峰值电流；Iv：谷值电流；Vp: 峰值电压；Vn: 谷值电压。,机理：,电流逐渐增大,正偏：,电流达最大,电流逐渐减小,电流达最小,正偏扩散电流,反偏：,能带特征：势垒区窄，载流子隧穿几率高,（扩散流 IV）,作业：,某二极管p区掺杂浓度为NA，n区掺杂浓度为ND，且NA= ND 。t0时刻以前为正向偏压VF，t0时刻突

35、变到反偏VR（ |VR|0 ）。若设： 该二极管面积为A; 空间电荷区总宽度增加量为d； p区、n区少子扩散长度分别为Ln、Lp; 正偏和反偏时少子都近似为线性分布； 反向抽取电流为IR，忽略其复合。试求其反向恢复时间：t=?（注：t=tS+ tf）,几个概念：tS、 tf期间载流子消失量；XmND、NA关系;少子复合；正偏、反偏少子分布；,n结二极管是一个大家族，基于pn结基本物理特性的二极管还有稳压管、快恢复二极管、阶跃恢复二极管等。 基于载流子其它输运形式，还有雪崩电离渡越时间二极管等微波负阻器件。 借助光子与载流子间的转换，还有应用广泛、发展迅速的pn结太阳电池，pn结光电探测器，发光二极管和二极管激光器等。这些内容将在后续章节讨论。,结 束 语,n基本特性概述,一、空间电荷区及形成,平衡状态空间电荷区内载流子扩散运动与自建电场产生的漂移运动动态平衡，净电流为零,x,(x),(x),(x),二、能带结构,三、平衡状态载流子分布,空间电荷区(势垒区)边界载流子浓度等于其平衡值,四、非平衡状态载流子分布,五、电学特性,1.伏安特性方程,2.伏安特性曲线,I,VA,3.势垒电容,变窄：,变宽：,4.扩散电容 5.击穿电压,(x),(x),m,