西安电子科技大学西安电子科技大学 微电子学院微电子学院 Physics of Physics of Semiconductor DevicesSemiconductor Devices 双极型器件物理(双语) 游海龙 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.2 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 第一章：第一章：PN结二极管结二极管 11 平衡平衡PN结定性分析结定性分析 12 平衡平衡PN结定量分析结定量分析 13 理想理想PN结直流伏安特性结直流伏安特性 14 实际（实际（Si）PN结直流结直流I-V特性与理想模型的偏离特性与理想模型的偏离 15 PN结交流小信号特性结交流小信号特性 16 PN结瞬态特性结瞬态特性 17 PN结击穿结击穿 18 二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.3 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 1.3 理想理想PN结直流伏安特性结直流伏安特性 微电子学院 PN结直流伏安特性定性分析结直流伏安特性定性分析 2 PN结直流伏安特性定量分析结直流伏安特性定量分析 3 理想理想PN结模型结模型 1 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.4 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 一一.理想理想PN结模型结模型 1.理想理想PN结模型近似条件结模型近似条件 1) 耗尽层近似：空间电荷区的边界存在突变，并且耗尽区以外 的半导体区域是电中性的。耗尽层不存在多余的离散离子； 2) 载流子的统计分布采用波尔兹曼分布近似； 3) 小注入假设Low-level injection：即注入的少数载流子浓度小 于多数载流子浓度，掺杂都离化； 4) 在耗尽层内不存在产生-复合电流，并且在整个耗尽层内，电 子电流和空穴电流恒定：PN结内的电流处处相等；PN结内 的电子电流与空穴电流分别为连续函数；耗尽区内的电子电 流与空穴电流为恒定值； 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.5 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 一一.理想理想PN结模型结模型 2. 近似条件近似条件(2)（玻尔兹曼分布）的应用：（玻尔兹曼分布）的应用： 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.6 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二二.理想理想PN结直流伏安特性的定性分析结直流伏安特性的定性分析 1. 零偏情况零偏情况 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.7 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二二.理想理想PN结直流伏安特性的定性分析结直流伏安特性的定性分析 2. 反偏情况反偏情况 微电子学院 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.8 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 二二.理想理想PN结直流伏安特性的定性分析结直流伏安特性的定性分析 微电子学院 3. 正偏情况正偏情况 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.9 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 理想理想PN结伏安特性的结伏安特性的定性定性分析分析 图8.7 PN结直流伏安特性 PN结二极管具有单向导电 Equilibrium Forward Bias Reverse Bias XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.10 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 三三. 理想理想PN结直流伏安特性的定量分析结直流伏安特性的定量分析 Ideal PN Model 2 Minority Carrier Concentration 3 I-V Characteristics Expression 4 Solution Strategy 1 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.11 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 一、一、PN结伏安特性定量分析解决思路结伏安特性定量分析解决思路 1. Calculate the minority carrier concentration in the quasineutral regions on the p- and n-side of the junction by solving the continuity equation 2. Calculate the minority carrier current densities at the edges of the depletion region x = xn and x = -xp 3. Calculate the total current density flowing through the diode by adding the hole and electron minority carrier density, assuming no generation/ recombination effects in the depletion region ( )( ) pn JJxJx nnn n JD eenE x pnp p JenED e x XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.12 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 二二.理想理想PN结模型（结模型（Ideal PN Junction Model） 1、一维理想、一维理想PN结结构：结结构： （1）一维；）一维；One-dimensional pn-junction； （2）各区均匀掺杂）各区均匀掺杂, Homogeneous doping, i.e. NA(x), ND(x) = const.; as a result, the junctions are treated as step junctions； （3）长二极管（中性区宽度远大于少子扩散长度）长二极管（中性区宽度远大于少子扩散长度）; x n w n x p x P N nnn LD, ppp LD, 0 x p w , nppn wL wL XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.13 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 二二.理想理想PN结模型（结模型（Ideal PN Junction Model） 2.理想理想PN结模型近似条件结模型近似条件 耗尽层近似：空间电荷区的边界存在突变，并且耗尽区以 外的半导体区域是电中性的。耗尽层不存在多余的离散离 子； 载流子的统计分布采用波尔兹曼分布近似； 小注入假设Low-level injection：即注入的少数载流子浓 度小于多数载流子浓度，掺杂都离化； 在耗尽层内不存在产生-复合电流，并且在整个耗尽层内 ，电子电流和空穴电流恒定：PN结内的电流处处相等； PN结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数；耗尽区 内的电子电流与空穴电流为恒定值； XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.14 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 二二.理想理想PN结模型（结模型（Ideal PN Junction Model） 3.理想理想PN结模型近似条件结模型近似条件-小结小结 1-D model No R-G currents in the depletion regions Homogeneous doping, i.e. NA(x), ND(x) = const.; as a result, the junctions are treated as step junctions； Low-level injection No R-G currents in the depletion regions Non-degenerate doping, i.e. Boltzmann approximation is valid； No series resistances No electric field outside the depletion regions No influence of contacts XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.15 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 微电子学院 二二.理想理想PN结模型（结模型（Ideal PN Junction Model） 3.理想理想PN结模型近似条件结模型近似条件-小结小结 XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.16 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 三三.外加偏置电压下少数载流子分布外加偏置电压下少数载流子分布 微电子学院 1.中性区连续性方程中性区连续性方程 2 2 n nnnn pppnp p ppppE DEpg txxx 2 2 n nnnn pppnp p ppppE DEpg txxx 2 2 p pppp nnnpn n nnnn E DEng txxx XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.17 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 三三.外加偏置电压下少数载流子分布外加偏置电压下少数载流子分布 微电子学院 2.理想理想PN结模型下中性区连续性方程结模型下中性区连续性方程 2 2 ppp p pppEp DEpg txxx XDXD 理想PN结直流伏安特性的定量分析.18 Physics of Semiconductor device Physics of Semiconductor device 三三.外加偏置电压下少数载流子分布外加偏置电压下少数载流子分布 微电子学院 2.理想理想PN结模型下中性区连续性方程结模型下中性区连续性方程 2 22 2 22 0 0 nn p pp n pp xL nn xL XDXD