PN结——电容特性(借鉴幻灯)课件

1 PN结结单向导电特性单向导电特性2 PN结结伏安特性伏安特性3 PN结结电容特性电容特性2.2.2 PN PN结及晶体二极管的特性结及晶体二极管的特性2.2.1 PN PN结的形成结的形成2.2 PN结和晶体管结和晶体管1行业知识 1 PN结单向导电特性2 PN结伏安特性2.2.2VDI反向特性反向特性正向特性正向特性击击穿穿特特性性PN结结伏安特性伏安特性：电流随电压变化的非线性电阻特性伏库特性伏库特性：电容随电压变化的非线性电容特性电容随电压变化的非线性电容特性2行业知识VDI反向特性正向特性击穿特性PN结伏安特性：电流随电压变化 当外加电压发生变化时，空间电荷的宽度要相当外加电压发生变化时，空间电荷的宽度要相应地随之改变，即存储的电荷量要随之变化，如应地随之改变，即存储的电荷量要随之变化，如同电容充放电。同电容充放电。二极管的两极之间有电容，它由两部分组成：二极管的两极之间有电容，它由两部分组成：3 PN结结电容特性电容特性A.势垒电容势垒电容CB B.扩散电容扩散电容CD3行业知识 当外加电压发生变化时，空间电荷的宽度要相应地随之改变，即平行板电容平行板电容平行板宽度是一定的平行板宽度是一定的PNPN结电容结电容空间电荷的空间电荷的 宽度随外加电压宽度随外加电压 要相应地随之改变要相应地随之改变4行业知识平行板电容平行板宽度是一定的PN结电容空间电荷的 宽A 势垒电容势垒电容CBUPN+空间电荷层空间电荷层5行业知识A 势垒电容CBUPN+空间电荷层5行业知识a.当当PN结正向偏置电压升高时结正向偏置电压升高时PN结变窄结变窄空间电荷层中的空间电荷层中的电荷量减少电荷量减少U+U(U0)PN+空间电荷不能移动，空间电荷的减少是由于电子和空穴中和空空间电荷不能移动，空间电荷的减少是由于电子和空穴中和空间电荷层中的带电离子。间电荷层中的带电离子。正向偏置电压升高正向偏置电压升高部分电子和空穴部分电子和空穴“存入存入”空间电荷区空间电荷区6行业知识a.当PN结正向偏置电压升高时PN结变窄空间电荷层中的电荷b.当当PN结正向偏置电压降低时结正向偏置电压降低时PN结变宽结变宽空间电荷层中的空间电荷层中的电荷量增大电荷量增大U-U(U0)PN+反向偏置电压升高反向偏置电压升高部分电子和空穴从空间电荷区部分电子和空穴从空间电荷区“取出取出”7行业知识b.当PN结正向偏置电压降低时PN结变宽空间电荷层中的电荷势垒电容势垒电容C CB B PN结交界处两端电压改变时，会引起积累在PN结的空间电荷浓度发生改变，这类似于电容的充放电现象，从而显示出PN结的电容效应，称为势垒电容。8行业知识势垒电容CB8行业知识势垒 电容的充电过程：结论：正偏结论：正偏V加大加大空间电荷区空间电荷区变窄变窄极板距离减小极板距离减小 CB 反偏反偏V加大加大空间电荷区空间电荷区变宽变宽极板距离增大极板距离增大CB PN+9行业知识势垒 电容的充电过程：PN+9 行业知识B 扩散电容扩散电容CD非平衡少子的积累非平衡少子的积累PN+.扩散区的电荷量随外电压的变化而扩散区的电荷量随外电压的变化而产生的电容效应。产生的电容效应。PNPN结结正偏正偏时，由时，由N N区扩散到区扩散到P P区的电子（区的电子（非平衡少子非平衡少子），堆），堆积在积在 P P 区内紧靠区内紧靠PNPN结的附近，到远离交界面处，形成一定的结的附近，到远离交界面处，形成一定的浓浓度梯度度梯度分布曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。分布曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。10行业知识B 扩散电容CD非平衡少子的积累PN+.PNPN结结正偏正偏时，由时，由N N区扩区扩散到散到P P区的电子（区的电子（非平衡少非平衡少子子），堆积在），堆积在 P P 区内紧靠区内紧靠PNPN结的附近，到远离交界结的附近，到远离交界面处，形成一定的面处，形成一定的浓度梯浓度梯度度分布曲线。电压增大，分布曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。正向（扩散）电流增大。扩散电容示意图扩散电容示意图11行业知识 PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子（非平衡少子），堆U变化时，变化时，P区区积累的非平衡少积累的非平衡少子浓度分布图子浓度分布图U03U=0U03U=0PNPN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。这种电容效应用扩散电容这种电容效应用扩散电容C CD D表征。表征。PN+.13行业知识PN结正向偏置电压越高，积累的非平衡少子越多。PN+.小结：小结：Cj=CD+CB PN结的结电容结的结电容Cj当当PN结正偏时结正偏时：当当PN结反偏时结反偏时：势垒电容和扩散电容均是非线性电容。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。14行业知识小结：Cj=CD+CB PN结的结电容Cj当PN结正变容二极管的符号及变容二极管的符号及C-U特性曲线特性曲线符号符号20240608010004681012uDCC-U特性曲线特性曲线15行业知识变容二极管的符号及C-U特性曲线符号202406080100变容二极管及其应用示例变容二极管及其应用示例谐振频率：谐振频率：式中式中高高频频放放大大器器LC1DCR+V+UDu116行业知识变容二极管及其应用示例谐振频率：式中高频放大器LC1DCR+2.2.3 金属与半导体的接触金属与半导体的接触（1）金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数(EF)mEoWm金属中的电子势井金属中的电子势井Eo 表示真空中静止电子能量。表示真空中静止电子能量。金属功函数定义金属功函数定义：Wm=Eo-(EF)mWm：表示一个起始能量等于费米表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。空中所需要的最小能量。其大小表示电子在金属中束缚的强其大小表示电子在金属中束缚的强弱，并与表面状态有关。弱，并与表面状态有关。17行业知识2.2.3 金属与半导体的接触（1）金属和半导体的功函数半导体的功函数：半导体的功函数：为电子的亲和能，它表示要使半导体为电子的亲和能，它表示要使半导体 导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。半导体的功函数：半导体的功函数：Ws=Eo-(EF)s(EF)sEvEc sWsEo18行业知识半导体的功函数：为电子的亲和能，它表示要使半导体(EF)s（2）整流接触整流接触 SWmWS(EF)m(EF)snmEo Wm Ws 接触前接触前(EF)s高于高于(EF)m，(EF)s-(EF)m=Wm-Ws19行业知识（2）整流接触 半导体的电势高于金属电势半导体的电势高于金属电势能带靠近金属一侧向上弯曲能带靠近金属一侧向上弯曲 接触后接触后n半导体半导体EF 金属金属空间电荷区空间电荷区Wm-SWm-WS=qV D(E(EF F)s s高于高于(E(EF F)m m 半导体中电子向金属流动半导体中电子向金属流动金属（金属（-）半导体（半导体（+）(E(EF F)s s和和(E(EF F)m m统一统一接触性电势差接触性电势差 V D=(Wm WS)/q20行业知识半导体的电势高于金属电势能带靠近金属一侧向上弯曲 接触后金属金属 半导体接触：半导体接触：能带向上弯曲，形成表面势垒，是高阻区域，称能带向上弯曲，形成表面势垒，是高阻区域，称n型阻挡层型阻挡层处于平衡态的阻挡层中没有净电流通过。处于平衡态的阻挡层中没有净电流通过。Wm Wsn n型阻挡层型阻挡层n半导体半导体EF 金属金属空间电荷区空间电荷区Wm-SWm-WS=qV D21行业知识金属 半导体接触：Wm Wsn型阻挡层n半 Wm WsN N型反型反阻挡层（很薄阻挡层（很薄）S-WmWS-Wm EFn n半导体半导体金属金属22行业知识 Wm WsN型反阻挡层（很薄）S-WmWS-V=023行业知识 V=023行业知识整流理论（阻挡层）整流理论（阻挡层）：n正向偏置：正向偏置：金属（金属（+）半导体半导体(-)电子容易由半导体流入金属电子容易由半导体流入金属24行业知识整流理论（阻挡层）：n正向偏置：金属（+）电子容易由半导体N逆向偏置：逆向偏置：金属（金属（-）半导体（半导体（+）电子从半导体流入金属困难电子从半导体流入金属困难25行业知识N逆向偏置：金属（-）电子从半导体流入金属困难25行业知识正向偏置下，由由金属金属流向流向半导体半导体的的电子电流一定；电子电流一定；因因电电位降低而位降低而增加增加，由半由半导体导体流向金流向金属属的的电子电子电流电流因因电电位降低而增加位降低而增加。故有故有金金属属半导体半导体电电流流。逆向偏置下，由由金属金属流向流向半导体半导体的的电子电流一定；电子电流一定；半半导体导体流向金流向金属属的的电子电流电子电流因因电电位位增加增加而而降低降低，故有故有半导体半导体金属金属反向电反向电流流（恒（恒定）定）。+26行业知识正向偏置下，由金属流向半导体的电子电流一定；因电位降低而增加VDI反向特性反向特性正向特性正向特性金属半导体接触I-U特性类似于pn结的伏安特性27行业知识VDI反向特性正向特性金属半导体接触I-U特性类似于pn结的肖特基二极管肖特基二极管利用金属利用金属半导体整流接触特性制成的二极管称为半导体整流接触特性制成的二极管称为肖特基二极管。肖特基二极管。28行业知识肖特基二极管利用金属半导体整流接触特性制成的二极管称为肖特不同：不同：1 反向电反向电流流产生机制产生机制不同：不同：肖特基肖特基二二极管为极管为多多数载流子工作数载流子工作pnpn接面二接面二极管为少数载流子工作极管为少数载流子工作结结果：果：肖特基肖特基二二极管极管的的饱和电流饱和电流要要大得多，起大得多，起始电流始电流也也较较大。大。肖肖特特基基二二极极管管为为多多数数载载流流子子元元件件，在在正正向向偏偏置置下下沒沒有有扩扩散散电电容容，在在逆逆向向偏偏置置下下，也也沒沒有有少少数数载载流流子子储储存存电电荷荷需需要要移移除除，所所以以切切换换速速度度快快，这这用用于于高速数字电路高速数字电路。2 2 频率响应频率响应不同：不同：相同：相同：单向导电性单向导电性肖特基二极管与肖特基二极管与pn二极管二极管的的比较比较29行业知识不同：1 反向电流产生机制不同：肖特基二极管为多数载流子工(3)欧姆接触欧姆接触非整流接触。非整流接触。欧姆接触欧姆接触30行业知识(3)欧姆接触非整流接触。欧姆接触30行业知识