pn结电容第九次课课件.ppt

1、 6.4 6.4 pn 结电容结电容 电容：两极板上的电荷随电压的变化关系可用电容表示。在电容：两极板上的电荷随电压的变化关系可用电容表示。在交流信号作用下，交流信号作用下，pnpn结会失去单向导电性，说明有电容作用。结会失去单向导电性，说明有电容作用。 在pn结中，有两类电荷会随外加电压变化： 势垒区中的杂质离子电荷是随着外加偏置电压而变化的，由此引起的电容效应称为势垒电容，以CT 表示； pn在偏置下，在结两侧的扩散区内，各存在着两组过剩载流子，它们的数量也随着外加电压的变化而变化。这种电容效应称为扩散电容，以CD表示。一、势垒电容CT 势垒电容的定义为：其中：QT 为势垒区中正电荷或负电

2、荷量，V 为外加电压。突变结情况dVQdCTTpnpn结中电场、电位分布与结中电场、电位分布与pnpn结能带图结能带图探讨电场、电位分布，从三组基本方程中的泊松方程着探讨电场、电位分布，从三组基本方程中的泊松方程着手。手。 在空间电荷区中做以下近似：在空间电荷区中做以下近似：1 1、耗尽层近似耗尽层近似：在：在(-x(-xTpTp, x, xTnTn) )中，中，n(x)=0n(x)=0，p(x)=0p(x)=0； 在在(-x(-xTpTp, x, xTnTn) )外，外，n(x)=nn(x)=n0 0，p(x)=pp(x)=p0 0；2 2、假定杂质全部电离假定杂质全部电离n nD D+ +

3、=N=ND D，p pA A- -=N=NA A)()()()()()()()(0 xnxpxpxnqxdxxdVxdxxdADs突变结：突变结：1 1）突变结的电场分布）突变结的电场分布 TnTpTnTpDAxxxxxxxxqNqNx,000)()()(0)(: ), 0()()(0)(: )0 ,(0222020201110101TnSDxxSDSDTnTpSAxxSASATpxxqNxcxqNxqNdxdxxxqNxcxqNxqNdxdxTnTp 讨论讨论在在x = 0 点，电场是连续的，即点，电场是连续的，即: : 1(0) = 2(0)， ND .xTN = NA .xTP（此式的意

4、义是空间电荷区中正负电荷数相等）。（此式的意义是空间电荷区中正负电荷数相等）。在空间电荷区中，在空间电荷区中，电场最强点在电场最强点在x = 0 点点，其值为：，其值为：2 2）突变结的电位分布）突变结的电位分布同样，求解需要分成两个区域：同样，求解需要分成两个区域：（ -xTp , 0）和（）和（0 , xTn ）sTnDsTpAxqNxqN00max)0(DdxxxVxdxdV)()()( xxqNxxqNVxVVDxxqNxqNDdxxxVxxqNxxxxqNxxqNxVDxxqNxqNDdxxxVxxqNxxTnSATnSADDxxTnSASDTnSDTnTpSATpSAxxTpSAS

5、ATpSATpTnTp022022202022202022011102011101)(2)(V2)()()()(: ), 0()(2)(0V2)()()()(: )0 ,(边界条件：边界条件：讨论：讨论： 在在x=0 x=0点，电势连续，即：点，电势连续，即：)(2:)0()0(22021TnDTpASDxNxNqVVV此式连同电场在此式连同电场在x=0 x=0点连续的结果：点连续的结果： ND .xTN = NA .xTP，可以解出，可以解出xTN，xTP的具体数值的具体数值210210210)11(2)(2(,)(2(DADSTPTNDDAADDSTPDADADSTNNNqVxxxNNNN

6、qVxNNNNqVxPNPN结的空间电荷区宽度，主要由结的空间电荷区宽度，主要由掺杂浓度低掺杂浓度低的一边决定。的一边决定。势垒高坡阻止了电子的扩散趋势，使之达到平衡势垒高坡阻止了电子的扩散趋势，使之达到平衡 求解空间电荷区的电场、电位分布时，我们得到：处连续电位在处连续电场在0.).(20 x.220 xxNxNqVxNxNTnDTpAsDTpATnD 当存在外加电压V 时，上式变为： 求得：)(2/220TnDTpAsDTTnDTpAxNxNqVVqQxNxN)(21)(2)(2)(2)(202211002110210210VVqNCVVqNCNNnpxVVNNNNqdVQdCVVNNNN

7、qxxxVVNNNNqQDDsTDDsTDADsDADADsTTDADADsTpTnDDADADsT结单边突变结： xxqxqxVDdxxxVxdxxdVDSjSjx030086)(0V)()()()(线性缓变结的电位分布：线性缓变结的电位分布： 线性缓变结的接触电势电位分布差：线性缓变结的接触电势电位分布差：12)2()2(3DjDDDxqxVxVV 线性缓变结情况在前面的内容，求空间电荷区电场、电位分布时得出在外加电压V 下，有：)(123DjDxqVDsRDjsRTTRDjsjTRDjsDDjXjXTDjRDxVVqdVQdCVVqqQVVqxxqxdxqdxxQxqVVDD031220

8、32031022020312)(128)(128)()(12讨论：CT是微分电容，随反向偏压的增加，xD增加， CT下降。无论突变结，缓变结，其ln CT与lnV之间都是线性关系：突变结，斜率为-1/2, 缓变结，斜率为-1/3,据此，可以区分出这两种结的类型。由x轴和y轴截距，分别可以求出掺杂浓度或浓度梯度及接触电势差VD 2110)(2VVNNNNCDDDADsT3122012VVqCDjsT二、扩散电容CD扩散电容CD 是两电容的并联 N 型侧的过剩载流子电容CDN 与P 型侧的过剩载流子电容CDP 的并联。 在N 型侧：从过剩载流子分布入手： TkqVpnFDnDnpTkqVnpnTn

9、xDnLxxnTnFFTnpTnekTLpqdVdQCLeqpLpxpqdxxpqQepxpxp0002000) 1()()()()( 在P 型侧，从过剩载流子分布入手： 总扩散电容CD 是P 型侧和N 型侧之和TkqVnpFDpDpnTkqVpnpTpxDpLxxpTpFFTpnTpekTLnqdVdQCLeqnLnxnqdxxnqQenxpxn0002000) 1()()()()(TkqVpnnpDpDnDFekTLpLnqCCC0)(002讨论CD 随正向偏压的增加而增加；需要指出的是：这里计算的CT 、CD的表达式都是单位面积的电容值，它们的单位都是F/m2，在实际计算中，应再乘上结面积，得出实际的电容值，即: CDA CD， CTA CT