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时间:2020-10-04
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1、第三单元:半导体双极器件第一章:P-N结P—N结是晶体二极管和三极管中最基本的环节,是半导体器件的核心部分。在制造晶体管和半导体集成电路时,其主要工艺就是制造性能良好的P—N结。P-N结理论是结型晶体管的物理基础,因此在学习晶体管原理时,首先应该很好掌握p—n结的基本理论。第一章:P-N结第一章:P-N结二.平衡PN结平衡PN结:无外加电压且通过结的净电流为零。1.空间电荷区:P区与N区结合在一起时,由于存在极大的载流子浓度梯度,导致P区的空穴向N区扩散和N区的电子向P区扩散。随着自建电场的增强,空间电荷不断增多,空间电荷区也不断扩大,则载流子的漂移电流不
2、断加大。达到平衡时,流过PN结的净电流为零,空间电荷区不再展宽。空间电荷区内存在一从N区指向P区的自建电场。2.平衡PN结的能带:平衡PN结的费米能级不随位置变化本征费米能级Ei随位置的变化与电子电势能的变化一致,即:(3-1)(3-2)(3-3)3.P-N结接触电势差平衡P-N结的空间电荷区两端间的电势差VD,称为平衡P-N结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为P-N结的势垒高度。(3-4)非简并半导体:(3-5)(3-6)(3-7)三.平衡P-N结的载流子分布(3-8)空间电荷区内处的电子和空穴浓度:(3-9)(3-1
3、0)得:(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)四.平衡P-N结的电场i.突变结对非简并半导体,假设杂质全部电离,在空间电荷区:(3-16)假设空间电荷区内自由载流子密度为零,即耗尽层近似,则电荷密度可表示为:(3-17)(3-18)(3-19)(3-20)求解一维泊松方程:(3-21)利用边界条件:(3-22)(3-23)(3-24)最大电场为于X=0处:(3-25)利用处电势分布连续性,可得:(3-26)(3-27)(3-28)(3-29)线性缓变结:电荷是对称分布的,PN结界面为原点,其浓度梯度为a。(3-30)(3-31)(3-
4、32)(3-33)五.P-N结电流电压特性1)非平衡PN结给PN结加上外电压V,结两边的电势差从平衡时的-VD变为-(VD±V)。势垒高度的变化将引起势垒区内电场的变化,破坏了平衡,须用准费米能级描述非平衡PN结各处的载流子浓度。正向偏置,势垒降低,在PN结界面处发生少子的注入效应。反向偏置:势垒增高,在PN结界面处发生少子的抽取。2)理想PN结模型及电流电压方程l小注入条件l突变耗尽层l忽略势垒区内载流子的产生与复合l玻尔兹曼边界计算理想PN结电流的步骤:l根据费米能级计算势垒区边界处注入的非平衡少数载流子浓度;l以边界处注入的非平衡少数载流子浓度作边界
5、条件,解扩散区中载流子连续性方程,得到扩散区中非平衡少数载流子分布;将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程,算出扩散流密度,再算出少数载流子的电流密度;求边界处的非平衡少数载流子浓度:(3-34)(3-35)(3-36)(3-37)为多数载流子,即(3-38)(3-39)同理可得n区边界处少数载流子浓度为:(3-40)(3-41)注入势垒区边界处的非平衡少数载流子是外加电压的函数在稳态时,空穴扩散区中非平衡少子的连续性方程为:(3-42)小注入时,很小,可忽略不计,在扩散区内Ex=0:(3-43)方程的通解为:(3-44)其中:边界条件:得:(3-45)
6、同理可得注入P区的非平衡少子:(3-46)在小注入时,扩散区内不存在电场,在x=xn处,空穴扩散流密度为:(3-47)同理,在x=-xp处的电子扩散流密度为:(3-48)通过P-N结的总电流密度为:(3-49)(3-50)(3-51)(3-51)式为理想P-N结电流电压方程式,又称肖克莱方程式。A.P-N结具有单向导电性。B.温度对电流密度的影响很大:(3-52)二极管电流随温度升高而迅速增大并且越大的半导体变化越快。六.P-N结电流电压特性偏离理想方程的因素:实验测量表明,理想的电流电压方程式和小注入下锗P-N结的实验结果符合较好,但与硅P-N结的实验结
7、果偏离较大。由图看出,在正向偏压时,理论与实验结果间的偏差为:①正向电流小时,理论计算值比实验值小;②正向电流较大时,曲线C段J—V关系为③在曲线d段,J—V关系不是指数关系,而是线性关系。在反向偏压时,实际测得的反向电流比理论计算值大得多,而且反向电流是不饱和的,随反向偏压的增大略有增加。砷化镓P—n结情况和硅P—n结相似。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下PN结情况,还必须考虑其他因素的影响,使理论更进一步完善。引起上述差别的主要原因有:①表面效应;②势垒区的产生及复合;③大注入条件;④串联电阻效应。1.PN结空间电荷区中的复合、产生电流:
8、设复合小心是最典型的深能级,,所以,并忽略电子和空穴寿命的差别,复
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