半導(dǎo)體器件物理-PN結(jié)開關(guān)特性

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1、西安電子科技大學PhysicsofSemiconductorDevices微電子學院雙極型器件物理(雙語)游海龍XDPhysicsofSemiconductordevice1-6PN結(jié)瞬態(tài)特性1開關(guān)應(yīng)用要求2PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)3PN結(jié)從斷開轉(zhuǎn)為斷導(dǎo)通的瞬態(tài)響應(yīng)4減小開關(guān)時間的主要措施微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.2XDPhysicsofSemiconductordevice一.開關(guān)應(yīng)用要求?開關(guān)特性是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?。在開關(guān)工作時，PN結(jié)總是處于正偏（也叫“開態(tài)”）和反偏（也叫“關(guān)態(tài)”）的交替變化工作中。?本節(jié)研究PN結(jié)以多快的速度由一

2、種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)：?瞬態(tài)關(guān)斷特性：從開態(tài)到關(guān)態(tài)的切換過程?瞬態(tài)開啟特性：從關(guān)態(tài)到開態(tài)的切換過程微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.3XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)i(t)i(t)PNItfFV(t)Jtt?00.1IRtsRRIFRRVVRFV(t)J正偏轉(zhuǎn)為反偏的簡單電路VontV?VVFonFt?0i???IFRRFFVRV?VVRJR電流（電壓）～時間瞬態(tài)特性0?t?ti?????IsRRRRR微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.4XDPhysicsofSemiconductor

3、device二.PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)注意，在開關(guān)切換后：?反向電流并不立刻下降到與所加的反偏電壓對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)反偏電流上，而是最終衰減到穩(wěn)態(tài)值之前的一段時間內(nèi)保持常數(shù)。?反向電流保持為常數(shù)的這段時間稱為存儲時間t，反向s電流從I衰減到0.1I所需的時間稱為下降時間t。RRf?在存儲時間內(nèi)，pn結(jié)正偏，即使外加電壓已到達使pn結(jié)反偏的程度。反向恢復(fù)時間定義為trr?ts?tf通常把ts作為主要的品質(zhì)因素來表征瞬態(tài)關(guān)斷過程微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.5XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)當PN結(jié)

4、正向偏置時會在緊鄰耗盡區(qū)的準中性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子的積累；反之，當pn結(jié)反偏時緊鄰耗盡區(qū)的少子會顯著減小。PN結(jié)正向?qū)〞r少子在擴散區(qū)積累的現(xiàn)象叫電荷存儲效應(yīng)。電荷存儲效應(yīng)是開關(guān)延遲的根本原因微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.6XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)開關(guān)過程中少子濃度隨時間的變化nppnt?0t?0t?ts0p0nnpt??t??存儲時間：邊界少子濃度達到熱平衡值所需的時間微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.7XDPhysicsofSemiconductordevice二.P

5、N結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)電荷存儲效應(yīng)（以P+N結(jié)為例說明）穩(wěn)態(tài)時，N區(qū)存儲的少子電荷為?qVxqVF?FQ?qAp0(ekT?1)eLPdx?qALp0(ekT?1)p?nPn0P+區(qū)向N區(qū)注入的空穴電流為0qVFpnkTI?qAD(e?1)?IPPFLP比較兩個公式可得：I?Q?Fpp結(jié)論：可以用非平衡載流子電荷來描述電壓電流關(guān)系。微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.8XDPhysicsofSemiconductordevice二.PN結(jié)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開的瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)?p的意義?N區(qū)空穴的壽命；?非平衡少子在N區(qū)的平均停留時間；?對擴散電容進行充電產(chǎn)生電荷Q

6、p所需的延遲時間；2QwPn?對短二極管，IF?,?t??2DtP微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.9XDPhysicsofSemiconductordevice三.PN結(jié)從斷開轉(zhuǎn)為斷導(dǎo)通的瞬態(tài)響應(yīng)電流脈沖（激勵）電壓～時間響應(yīng)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微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.10XDPhysicsofSemiconductordevice三.PN結(jié)從斷開轉(zhuǎn)為斷導(dǎo)通的瞬態(tài)響應(yīng)在瞬態(tài)開啟間p+n結(jié)內(nèi)部空穴存儲電

7、荷的積累微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.11XDPhysicsofSemiconductordevice四.減小開關(guān)時間的主要措施存儲時間t的計算?1IF2st??[erf()]spI?IRFt?0:Q??Ii??IPpFRt??pQ(t)???I??(I?I)ePpRpFRIF假設(shè)QP(ts)?0所以ts??pln(1?)IR?為了使PN結(jié)快速地關(guān)斷，需要有較大的反偏電流以及較小的少子壽命。?減少壽命：引入復(fù)合中心。對于硅，金是有效的復(fù)合中心。在硅中有意引入金可以減小壽命。微電子學院理想PN結(jié)直流伏安特性的定量分析.12XD