2.2_直流特性Microsoft_PowerPoint_演示文稿

第二章pn结二极管pnJunctionDiode§2.2pn结基本电学特性2.2.1直流特性一、载流子输运即是电流形成过程正偏（1）内电场被削弱，载流子扩散运动大于漂移运动;（2）空间电荷区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）;一、载流子输运形成电流过程（3）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。（4）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。分析正反偏时电流形成过程正偏：V0，势垒区内电场↓，漂移作用↓扩散作用占优，电子、空穴从区向区扩散；电子空穴在势垒区区边界堆积，高于平衡浓度，电子空穴进一步从边界处向区内部扩散形成从区到的电子空穴流，总电流为从p区向n区nppnpnpnnppn当V增大，势垒区边界处少子堆积增多，电流↑正偏—内电场被减弱正偏载流子输运示意图分析反偏时电流形成过程反偏内电场被加强载流子漂移运动大于扩散运动；空间电荷区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；产生的少子向xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方并漂移向电极形成反向（漂移）电流。反偏时载流子输运示意图二、理想pn结模型（四个假设）（1）不考虑势垒区中的产生与复合结果：电子、空穴电流通过势垒区时保持不变（2）小注入结果：多子浓度约等于平衡时浓度，对少子只需要考虑扩散电流（3）耗尽层近似结果：空间电荷区为高阻区，外加电压几乎降落在空间电荷区二、理想pn结模型（4）势垒区两边界处载流子浓度服从波尔兹曼分布结果：()()()DqVVKTnnpppxpxe()()DqVqVKTKTnnpppxpxee0()()qVKTnnnnpxpxe0()()qVKTppppnxnxe同理少子浓度规律提示：势垒区一侧边界处少子浓度等于本侧边界处平衡时少子浓度乘以qVKTe三、伏安特性方程1、分析思路：A.空间电荷区任一截面的空穴流密度与电子流密度之和相等，即为pn结的总电流；分别求出空间电荷区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。——（前面的假设（1））1、分析思路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。——(前面的假设（2）和（3）)1、分析思路C.分别求解少子电子和少子空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。1、分析思路()()npIIxIx()()nnpnIIxIx()()nppnIIxIx直流电流方程取x=xn程()()npnnIxIx因为所以2、空穴的连续性方程空穴在其扩散区内连续性方程2200nn00n0()()0()exp(/)0()()[exp(/)1]nnnnnnnnnpnnnndppppxpxdxLpppxpqpxpxppqVKTKTV()＝()-边界条件()＝3、非平衡少子的关系式求得()/00()()(1)npqVxxLKTnnnnpxpxppee()/00()()(1)pnqVxxLKTppppnxnxnnee同理求得nxx时pxx时4、非平衡少子的分布正偏时势垒区两边界附近少子浓度的变化n0()exp(/)nnpxpqVKT－XpXn0少子浓度分布图np0Pn00()qVKTpppnxne4、非平衡少子的分布反偏时，V＜0()/00()()(1)npqVxxLKTnnnnpxpxppeeqVKTe公式中接近0()/00()()(1)pnqVxxLKTppppnxnxnnee变为()/0()npxxLnnpxpe变为()/0()pnxxLppnxne4、非平衡少子的分布反偏时势垒区两边界附近少子浓度的变化－XpXn0反偏时少子浓度分布图np0Pn05、少子的电流密度那么电子和空穴的电流密度分别为()/0()/0()()(1)()()(1)nppnqVxxLpnnKTpppqVxxLpnpKTnnnqDpdpxJxqDeedxLdnxqDnJxqDeedxL5、少子的电流密度0()()(1)qVpnnKTpppqDpdpxJxqDedxL0()()(1)qVpnpKTnnndnxqDnJxqDedxLnxx时pxx时6、pn结伏安特性方程pn结电流密度（伏安特性方程）：00()()(1)qVpnnpKTpnnppnqDpqDnJJxJxeLL方程对正偏、反偏pn结都成立。6、pn结伏安特性方程若反偏时∣V∣KT/q，那么002[]pnnppnsipnpDnADpDnDDJqqnLLLNLN称为反向饱和电流，Js表示。sJJ6、pn结伏安特性方程伏安特性方程又可表示为：(1)qVKTsJJe上述电流电压方程是在WpLn，WnLp条件下获得的，Wp和Wn分别为p区和n区宽度。对于薄基区二极管载流子浓度、电流密度的求解可以用同样的思路，只是边界条件不同（参照教材P31页）四、PN结伏安特性方程的讨论1、电流密度示意图正偏时少子在二极管中扩散电流密度示意图1、电流密度示意图反偏时少子在二极管中扩散电流密度示意图2、单向导电性与I-V特性曲线正偏时：若V0.1V,1,qVKTSqVKTIIeeV↑→电流I↑↑(呈指数增加)，取对数lnlnsqIIVKT为直线为指数曲线2、单向导电性与I-V特性曲线反偏时：若0.1,sVVII2、单向导电性与I-V特性曲线I-V特性曲线正偏反偏VI-V特性曲线对数形式lnsIlnI2、单向导电性与I-V特性曲线关于正向导通电压定义：实际上是使通过pn结电流达到电路工作时要求的数据范围（1mA）时pn结上的外加电压。例子：对于硅，一般若V=0.7V,I=4.93mA;要使I＝1mA，则V＝0.656V2、单向导电性与I-V特性曲线Pn结的正向特性曲线IVPn结的正向特性曲线3、pn结电流与两边掺杂浓度的关系单边突变结：正向电流(取决于从n区到p区的电子电流)主要是重掺杂一边向轻掺杂一边注入的电流，其中，反向饱和电流主要取决于轻掺杂情况。000,,danpnNNnpp0exp()npnqDnqVIALKT0npsnqDnIAL4、I-V特性与半导体材料的关系a.不同材料pn结反向饱和电流差别很大b.要使电流相同，不同材料pn结需要的外加电压大小有明显差别22gEiKTsianJneN5、pn结直流I-V特性与温度的关系因子其中T↑→I↑↑对于硅而言，△T=10℃,扩大4倍2gEKTsiIne5、pn结直流I-V特性与温度的关系不同材料的正向特性曲线0.20.60.8VIGeSiGaAs不同材料的正向特性曲线thanks