半导体器件物理-PN结开关特性

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1、西安电子科技大学PhysicsofSemiconductorDevices微电子学院双极型器件物理(双语)游海龙XDPhysicsofSemiconductordevice1-6PN结瞬态特性1开关应用要求2PN结从导通转为断开的瞬态响应3PN结从断开转为断导通的瞬态响应4减小开关时间的主要措施微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.2XDPhysicsofSemiconductordevice一.开关应用要求开关特性是利用PN结的单向导电特性。在开关工作时，PN结总是处于正偏（也叫“开态”）和反偏（也叫“关态”）的交替变化工作中。本节研究PN结以多快的速度由一

2、种状态转变为另一种状态：瞬态关断特性：从开态到关态的切换过程瞬态开启特性：从关态到开态的切换过程微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.3XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN结从导通转为断开的瞬态响应i(t)i(t)PNItfFV(t)Jtt00.1IRtsRRIFRRVVRFV(t)J正偏转为反偏的简单电路VontVVVFonFt0iIFRRFFVRVVVRJR电流（电压）～时间瞬态特性0ttiIsRRRRR微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.4XDPhysicsofSemiconductor

3、device二.PN结从导通转为断开的瞬态响应注意，在开关切换后：反向电流并不立刻下降到与所加的反偏电压对应的稳态反偏电流上，而是最终衰减到稳态值之前的一段时间内保持常数。反向电流保持为常数的这段时间称为存储时间t，反向s电流从I衰减到0.1I所需的时间称为下降时间t。RRf在存储时间内，pn结正偏，即使外加电压已到达使pn结反偏的程度。反向恢复时间定义为trrtstf通常把ts作为主要的品质因素来表征瞬态关断过程微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.5XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN结从导通转为断开的瞬态响应当PN结

4、正向偏置时会在紧邻耗尽区的准中性区内产生非平衡少数载流子的积累；反之，当pn结反偏时紧邻耗尽区的少子会显著减小。PN结正向导通时少子在扩散区积累的现象叫电荷存储效应。电荷存储效应是开关延迟的根本原因微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.6XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN结从导通转为断开的瞬态响应开关过程中少子浓度随时间的变化nppnt0t0tts0p0nnptt存储时间：边界少子浓度达到热平衡值所需的时间微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.7XDPhysicsofSemiconductordevice二.P

5、N结从导通转为断开的瞬态响应电荷存储效应（以P+N结为例说明）稳态时，N区存储的少子电荷为qVxqVFFQqAp0(ekT1)eLPdxqALp0(ekT1)pnPn0P+区向N区注入的空穴电流为0qVFpnkTIqAD(e1)IPPFLP比较两个公式可得：IQFpp结论：可以用非平衡载流子电荷来描述电压电流关系。微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.8XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN结从导通转为断开的瞬态响应参数p的意义N区空穴的寿命；非平衡少子在N区的平均停留时间；对扩散电容进行充电产生电荷Q

6、p所需的延迟时间；2QwPn对短二极管，IF,t2DtP微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.9XDPhysicsofSemiconductordevice三.PN结从断开转为断导通的瞬态响应电流脉冲（激励）电压～时间响应t0：Q(0)0，iIPFtpQIeqvAkTQP(t)pIF(1e)Pp0(1)kTItFpv(t)ln[1(1e)]AqI0微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.10XDPhysicsofSemiconductordevice三.PN结从断开转为断导通的瞬态响应在瞬态开启间p+n结内部空穴存储电

7、荷的积累微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.11XDPhysicsofSemiconductordevice四.减小开关时间的主要措施存储时间t的计算1IF2st[erf()]spIIRFt0:QIiIPpFRtpQ(t)I(II)ePpRpFRIF假设QP(ts)0所以tspln(1)IR为了使PN结快速地关断，需要有较大的反偏电流以及较小的少子寿命。减少寿命：引入复合中心。对于硅，金是有效的复合中心。在硅中有意引入金可以减小寿命。微电子学院理想PN结直流伏安特性的定量分析.12XD