微电子器件(2-2)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,PN,结,在,正,正,向,向,电,电,压,压,下,下,电,电,流,流,2.2PN,结,的,的,直,直,流,流,电,电,流,流,电,电,压,压,方,方,程,程,PN,结二极,管,管的,直流电,流,本节的,重,重点,1,、中性,区,区与耗,尽,尽区边,界,界处的,少,少子浓,度,度与外,加,加电压,的,的关系,。,。这称,为,为,“,结定律,”,，并将,被,被用做,求,求解扩,散,散方程,的,的边界,条,条件；,2、PN结两侧,中,中性区,内,内的少子浓,度,度分布和少子扩,散,散电流,；,；,3、PN,结的,势垒区,产,产生复,合,合电流,P区,N区,x,n,-x,p,平衡PN结的能,带,带图,N区,P区,面积为,V,bi,2.2.1,外加电,压,压时载,流,流子的,运,运动情,况,况,外加正,向,向电压,V,后，,x,d,与,减,减小,，,，,PN,结的势,垒,垒高度,由,由,qV,bi,降为,q,(,V,bi,-,V,),。,P,N,x,0,平衡时,外加正,向,向电压,时,时,外加电,场,场,内建电,场,场,面积为,V,bi,-,V,势垒高,度,度降低,后,后不能,再,再阻止,N,区电子,向,向,P,区的扩,散,散及,P,区空穴,向,向,N,区的扩,散,散，于,是,是形成,正,正向电,流,流。,由于正,向,向电流,的,的电荷,来,来源是,多,多子，,所,所以正,向,向电流,很,很大。,V,P,区,N,区,0,正向电,流,流密度,由,由三部,分,分组成,：,：,1、,空穴扩,散,散电流,密,密度,J,dp,(在,N,区中推导）,2、,电子扩,散,散电流,密,密度,J,dn,(在,P,区中推导）,3、,势垒区,复,复合电,流,流密度,J,r,(在势垒,区,区中推导）,外加反,向,向电压,V,(,V,kT,/,q,(,室温下约,为,为,26mV),时，,非平衡少,子,子的边界,条,条件可简,化,化为，,当外加反,向,向电压且,|,V,|,kT,/,q,时，,直流情况,下,下,，,，又,因,因,，,，,故,故可得,由第一章,的,的式,（1-23）,，,N,区中的空,穴,穴扩散方,程,程为,式中，,，,，称为空,穴,穴的扩散长度，典型值,为,为,10,m,。,（1-23）,2,、中性区,内,内的非平,衡,衡少子浓,度,度分布,P,区内的非,平,平衡少子,电,电子也有,当,N,区足够长,(,L,p,)时，,利用,p,n,(,x,),的边界条,件,件可解出,系,系数,A,、,B,，,于是可得,N,区内的非,平,平衡少子,空,空穴的分,布,布为,扩散方程,的,的通解为,外加正向,电,电压时,PN,结中的少,子,子分布图,P区,N区,注,入,入,N,区,后,后,的,的,非,非,平,平,衡,衡,空,空,穴,穴,，,，,在,在,N,区,中,中一,边,边,扩,扩,散,散,一,一,边,边,复,复,合,合，,其,其,浓,浓,度,度,随,随,距,距,离,离,作,作,指,指,数,数,式,式,衰,衰,减,减,。,。,衰,衰,减,减,的,的,特,特,征,征,长,长,度,度,就,就,是,是,空,空,穴,穴,的,的,扩,扩,散,散,长,长,度,度,L,p,。,每,每,经,经,过,过,一,一,个,个,L,p,的,长,长,度,度,，,，非,平,平,衡,衡空,穴,穴,浓,浓,度,度,降,降,为,为,1,/,e,。,P区,N区,外,加,加,反,反,向,向,电,电,压,压,时,时,PN,结,中,中,的,的,少,少,子,子,分,分,布,布,图,图,N,区中势垒区,附,附近的少子,空,空穴全部被,势,势垒区中的,强,强大电场拉,向,向,P,区，,所以,空穴浓度在,势,势垒区边界,处,处最低，随,距,距离作指数,式,式增加，在,足,足够远处恢,复,复为平衡少,子,子浓度。减,少,少的空穴由,N,区内部通过,热,热激发产生,并,并扩散过来,补,补充。,假设中性区,内,内无电场，,所,所以可略去,空,空穴电流密,度,度方程中的,漂,漂移分量，,将,将上面求得,的,的,p,n,(,x,),同理，,P,区内的电子,扩,扩散电流密,度,度为,（2-52a）,（2-52b）,3,、扩散电流,代入空穴扩,散,散电流密度,方,方程，得,N,区内的空穴,扩,扩散电流密,度,度为,PN,结总的扩散,电,电流密度,J,d,为,当,V,=0,时，,J,d,=0,当,V,kT,/,q,时，,当,V,kT,/,q,时，,J,d,=,-,J,0,室温下硅,PN,结的,J,0,值约为,10,-10,A,/,cm,2,的数量级。,由于当,V,kT,/,q,后，,反向电流达,到,到饱和值,I,0,，不再随反,向,向电压而变,化,化，因此称,I,0,为反向饱和电,流,流。,I,V,I,0,0,J,0,乘以,PN,结的结面积,A,，得,4,、反向饱和,电,电流,对,J,0,的讨论,与材料种类,的,的关系：,E,G,，则,n,i,，,J,0,；,与掺杂浓度,的,的关系：,N,D,、,N,A,，则,p,n0,、,n,p0,，,J,0,，,主,主要取决于,低,低掺杂一侧,的,的杂质浓度,；,；,与温度,T,的关系：,T,，则,n,i,，,J,0,，因此,J,0,具有正温系,数,数。这是影,响,响PN结热稳定性,的,的重要因素,。,。,2.2.4,势垒区产生,复,复合电流,由式,（1-17,）,），,净复合率,U,可表为,已知在中性,区,区里，,1,、势垒区中,的,的净复合率,由第,2.1,节已知，在,势,势垒区中，,当,当,外加电压,V,时，,可见：,当,V,=0,时，,np,=,n,i,2,，,U,=0,；,当,V,0时，,np,n,i,2,，,U,0,，,，发,生,生净,复,复合,；,；,当,V,0时，,np,n,i,2,，,U,kT,/,q,时，,当,V,kT,/,q,时，,2,、势,垒,垒区,产,产生,复,复合,电,电流,以,P,+,N,结为,例,例，,当,当外,加,加正,向,向电,压,压且,V,kT,/,q,时，,当,V,比较,小,小时,，,，以,J,r,为主,；,；,当,当,V,比较,大,大时,，,，以,J,d,为主,。,。,E,G,越大,，,，则,过,过渡,电,电压,值,值就,越,越高,。,。,对于,硅,硅,PN,结，,当,当,V,0.45V,时，,以,以,J,d,为主,。,。,3,、扩,散,散电,流,流与,势,势垒,区,区产,生,生复,合,合电,流,流的,比,比较,在ln,I,V,特性,曲,曲线,中,中，,当,当以,J,r,为主,时,时，,当以,J,d,为主,时,时，,斜率=,q,/,2,kT.,斜率=,q,/,kT.,外加,反,反向,电,电压,且,且|,V,|,kT,/,q,时，,两,两种,反,反向,电,电流,的,的比,值,值为,当温,度,度较,低,低时,，,，以,J,g,为主,，,，,当温,度,度较,高,高时,，,，以,J,d,为主,，,，,E,G,越大,，,，则,由,由以,J,g,为主,过,过渡,到,到以,J,d,为主,的,的温,度,度就,越,越高,。,。,在常,用,用的,正,正向,电,电压,和,和温,度,度范,围,围内,，,，,PN,结的,正,正向,电,电流,以,以扩,散,散电,流,流,J,d,为主,。,。这,时,时正,向,向电,流,流可,表,表示,为,为,2.2.5,正向,导,导通,电,电压,V,(V),I,(mA),0.2,0.4,0.6,2,4,6,0,0.8,硅,锗,由于反向,饱,饱和,电,电流,I,0,的值,极,极小,，,，当正向,电,电压,较,较低,时,时，,正,正向,电,电流,很,很小,，,，,PN,结似,乎,乎未,导,导通,。,。只,有,有当,正,正向,电,电压,达,达到,一,一定,值,值时,，,，才,出,出现,明,明显,的,的正,向,向电,流,流。,将,将正,向,向电,流,流达,到,到某,规,规定,值,值（,例,例如,几,几百,微,微安,到,到几,毫,毫安,）,）时,的,的正,向,向电,压,压称,为,为正向,导,导通,电,电压，记,作,作,V,F,。,V,(V),I,(mA),0.2,0.4,0.6,2,4,6,0,0.8,硅,锗,影响,正向,导,导通,电,电压,V,F,的因,素,素,I,0,=,AJ,0,越大,，,，,V,F,就越,小,小，,因,因此,，,，,E,G,，,则,则,I,0,，,V,F,；,N,A,、N,D,，,则,则,I,0,，,V,F,，,主,主要,取,取决,于,于低,掺,掺杂,一,一侧,的,的杂,质,质浓,度,度；,T,，,则,则,I,0,，,V,F,，,因,因此,V,F,具有,负,负温,系,系数,。,。,对,V,F,影响,最,最大,的,的因,素,素是,E,G,。锗PN结的,V,F,约为0.25V，,硅,硅PN结的,V,F,约为0.7V,。,。,2.2.6,薄,薄,基,基区,二,二极,管,管,本小,节,节的,结,结果,在,在第3章中,有,有重,要,要用,途,途。,前面,讨,讨论,少,少子,浓,浓度,的,的边,界,界条,件,件时,曾,曾假,设,设中性,区,区长,度,度远,大,大于,少,少子,扩,扩散,长,长度,。,。,P,N,那时,中,中性,区,区外,侧,侧的,非,非平,衡,衡少,子,子浓,度,度的,边,边界,条,条件,是,是,薄基,区,区二,极,极管是指,，,，PN结的,某,某一,个,个或,两,两个中性,区,区的,长,长度,小,小于,少,少子,扩,扩散,长,长度,。,。,P,N,W,B,0,这时,其,其扩,散,散电,流,流,J,d,会因,为,为少,子,子浓,度,度的,边,边界,条,条件,不,不同,而,而有,所,所不,同,同。,但,但势,垒,垒区,产,产生,复,复合,电,电流,J,gr,的表,达,达式,无,无任,何,何变,化,化。,上图N型中,性,性区,内,内的,非,非平,衡,衡少,子,子浓,度,度边,界,界条,件,件为,利用,上,上述,边,边界,条,条件,，,，求,解,解扩,散,散方,程,程得,到,到的N区中,的,的非,平,平衡,少,少子,分,分布,p,n,(,x,),为,式中,，,，,上式,实,实际,上,上可,以,以适,用,用于,任,任意,W,B,值。,当,当,W,B,时，,上,上式,近,近似,为,为,对于,薄,薄基,区,区二,极,极管,，,，,W,B,L,p,，利,用,用近,似,似公,式,式,，,，(|,u,|1,时,时),，,，得,上式,对,对正,、,、反,向,向电,压,压都,适,适用,。,。类,似,似地,可,可得P区中,的,的非,平,平衡,少,少子,分,分布,n,p,(,x,),的表,达,达式,。,。薄,基,基区,二,二极,管,管中,的,的少,子,子分,布,布图,为,为,当,W,B,L,p,时的,空,空穴,扩,扩散,电,电流,密,密度,为,为,与厚,基,基区,二,二极,管,管的,扩,扩散,电,电流,密,密度,公,公式,相,相比,较,较，差别,仅,仅在,于,于分,别,别用,W,B,、,W,E,来代,替,替,L,p,、,L,n,。,当,W,E,L,n,时的,电,电子,扩,扩散,电,电流,密,密度,为,为,