半导体物理基础pn结.ppt

2-5 隧道电流 图2.12（a）：没有加偏压，费米能级进入导带和价带。费米能级以下的状态被电子占据，费米能级以上的状态为空。 图2.12（b）：加上正向偏压，出现电子和空穴的准费米能级。 能带弯曲程度变小，N区有一些电子的能量与P区的空状态相对应。电子可能隧道穿透结势垒产生电流。 第六十二页，共110页 2-5 隧道电流 第六十三页，共110页 2-5 隧道电流 图2.12（c）：最大隧道电流的状态。P区有足够的空闲状态能够接收电子的隧道击穿。 图2.12（d）：偏压进一步增加， P区相应的空闲状态变少，电流变小。直至为0。 图2.12（e）：加反向偏压。反向隧道电流随着反向偏压的增加而增加。 第六十四页，共110页 2-5 隧道电流 第六十五页，共110页 2-5 隧道电流 第六十六页，共110页 2-5 隧道电流 正向偏压时隧道电流随着电压升高的变化：出现——增大——最大——减小——最小——为0。 第六十七页，共110页 2-5 隧道电流 二、隧道二极管 I/V曲线受扩散电流和隧道电流影响。 当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但在电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大； 如果加反向偏压，电流则随电压的增加而急剧变大。因为这种变化可以用量子力学中的“隧道效应”加以说明，故称隧道二极管。 第六十八页，共110页 2-5 隧道电流 （a）江崎二极管 电流-电压特性 第六十九页，共110页 2-5 隧道电流 隧道二极管的主要特点 1、隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪音。 2、隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子涨落的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。 第七十页，共110页 2-5 隧道电流 3、由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。 了解产生隧道电流的条件。 ?画出能带图解释隧道二极管的I－V特性。 了解隧道二极管的特点和局限性。 第七十一页，共110页 2-6 I-V特性的温度依赖关系 根据公式（2-6-3）反向电流随温度升高而增加。 PN结中的电流包括扩散电流、空间电荷区产生与复合电流和隧道电流。 无论是正向偏压还是反向偏压，随着温度的增加，都是以扩散电流为主。 给定电压，电流随温度升高而迅速增加。对于硅二极管，在室温（300K）时，每增加 ，电流约增加1倍。 第七十二页，共110页 2-6 I-V特性的温度依赖关系 电压随温度线性地减小，对于硅二极管，系数约为 。 结电压随温度变化十分灵敏，这一特性被用来精确测温和控温。 第七十三页，共110页 2-6 I-V特性的温度依赖关系 第七十四页，共110页 2-7 耗尽层电容 耗尽层宽度是偏置电压的函数。 随着偏置电压的增、减，空间电荷区的电荷也不断的变化。 耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容，称为PN结的耗尽层电容，也称为势垒电容和过渡电容。 第七十五页，共110页 2-7 耗尽层电容 2.7.1 C-V关系 对于单边突变结，根据耗尽层宽度公式2-2-1，空间电荷区所存储的电荷为 第七十六页，共110页 2-7 耗尽层电容 由电容定义 得到 C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容： PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。 第七十七页，共110页 2.2 加偏压的PN结 （a）热平衡，耗尽层宽 度为 W （b）加正向电压，耗尽 层宽度W’?W 第三十页，共110页 2-2 加偏压的PN结 （c）加反向电压，耗尽层宽度W’W 第三十一页，共110页 2-2 加偏压的PN结 正向偏压：势垒削弱，扩散被加强，电流大。 反向偏压：势垒加强，扩散被抑制，电流小。 当偏离平衡态之后，费米能级出现分裂。 费米能及与载流子浓度相关联。而电流与费米势的梯度有关（1-12-5和1-12-6）。 第三十二页，共110页 2-2 加偏压的PN结 在电中性区，多数载流子浓度仍然保持相应的平衡数值，因此在这些区域中的准费米能级并没有偏离平衡费米能级。 在空间电荷区，载流子浓度不发生变化，因此准费米能级不变。 准费米能级的分裂表明：在紧靠耗尽区的电中性区内，出现了过量载流子。 第三十三页，共110页 2-2 加偏压的PN结 在反向偏压下，耗尽近似仍然成立。 单边突变结的耗尽层宽度为 耗尽层的宽度随反向偏压的增加而增加。 第三十四页，共110页 2-2 加偏压的PN结 在正向偏压下，如果电流不大，耗尽近似仍然成立。 但当电流增大时，空间电荷区的载流子浓度会与杂质离子浓