1、PN结电容和雪崩二极管 严凯04720036 PN结电容 PN结有整流效应 但是它又包含着破坏整流特性的因素 这个因素就是PN结的电容 PN结电容包括势垒电容和扩散电容两部分 势垒电容 当p n结加正向偏压时 势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱 势垒区宽度变窄 空间电荷数量减少 如图 a b 所示 a 平衡PN结势垒区 b 正偏时 势垒区变窄 因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的 所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主 图 c 中箭头A表示了这种中和作用 这就是说 在外加正向偏压增加时 将有一部分电子和空穴 存入 势垒区 反之 当正向偏压减
2、小时 势垒区的电场增强 势垒区宽度增加 空间电荷数量增多 这就是有一部分电子和空穴从势垒区中 取出 c 正偏时 PN结载流子变化 对于加反向偏压的情况 可作类似分析 总之 PN结上外加电压的变化 引起了电子和空穴在势垒区的 存入 和 取出 作用 导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化 这和一个电容器的充放电作用相似 这种PN结的电容效应称为势垒电容 PN结势垒电容和平行板电容器一样 电容值的大小正比于面积S 反比于空间电荷区的厚度Xm 在这里 Xm相当于平行板电容器两极板的间距 PN结势垒电容与平行板电容器的主要区别在于 平行板电容器两极板间的距离d是一个常数 它不随电压V变化 而空间电荷宽
3、度Xm不是一个常数 而是随电压V变化的 因此平行板电容器的电容是常数 而PN结的势垒电容是偏压V的函数 通常所说的PN结电容是指在一定的直流外加偏压下 当电压有一微小变化 V时 相应的电荷变化量 Q与 V的比值 一般称它为微分电容 扩散电容 正向偏压时 有空穴从p区注入n区 于是在势垒区与n区边界n区一侧一个扩散长度内 便形成了非平衡空穴和电子的积累 同样在p区也有非平衡电子和空穴的积累 当正向偏压增加时 由p区注入到n区的空穴增加 注入的空穴一部分扩散走了 如图 c 中箭头B所示 一部分则增加了n区的空穴积累 增加了浓度梯度 如图 c 中箭头C所示 所以外加电压变化时 n区扩散区内积累的非平
4、衡空穴也增加 与它保持电中性的电子也相应增加 同样 p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也要增加 这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应 称为p n结的扩散电容 实验发现 PN结的势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化 表明它们是可变电容 因此 引入微分电容的概念来表示PN结的电容 雪崩二极管 1 PN结的雪崩击穿2 雪崩二极管的工作原理3 雪崩二极管的应用 1 PN结的雪崩击穿 在PN结上加以反向电压 当反向电压增加时 空间电荷区中电场随着增加 载流子在空间电荷区 耗尽层 中漂移运动时将受到强电场的加速作用 获得巨大的动能 使得载流子在碰撞到原子时 有可能产生电
5、子 空穴对 这些电子和空穴在高压作用下又去碰撞其他的原子 产生更多的电子 空穴对 如此链锁反应 一下子就会产生出大量的电子 空穴对 以致通过PN结的反向电流猛增 于是出现PN结击穿现象 PN结雪崩击穿示意图 因为这种击穿现象发生时 电流的猛增象雪崩一样 所以常称为雪崩击穿 2 雪崩二极管的工作原理 P NN 雪崩二极管的结构及其内部电场分布 当反偏压大到使靠近P 区的一层空间电荷区WA以内的电场强度超过雪崩击穿的数值时 则该薄膜内就先出现载流子雪崩倍增现象 这时 可以维持任意大小的电流 当电场短时间地进一步升高时 电流将增长 当电场减小时 电流减小 雪崩二极管正常工作时应处在反偏击穿状态 外加
6、电场 雪崩电流和外电路感应电流间的相位关系 载流子的增加或减小以一次近似正比于叠加在击穿电压的交变电压u t 的瞬时值 总的载流子电流是载流子增量对于时间的积分 因此 如外加电压是正弦交流波形 则雪崩电流滞后外加交流电压90 此外 由于雪崩区产生的电子渡过宽度为WD的漂移区需要一个渡越时间 d 从平均上看外电路的电流ie将落后ia二分之一个 d 如果使外加交变电压的周期T为2 d 则ie刚好比外加电压滞后180 呈现负载特性 雪崩二极管的等效电路及振荡电路 对雪崩区 WA以内 而言 其雪崩电流ia落后于外电压90 因而可以用一个电感La来等效它 它与结电容Ca构成一个并联谐振回路 当fa fd时 则负载效应最显著 所以 雪崩二极管可以用一个负电导 g和La Ca及Cd 漂移区电容 组成的等效电路表示 由于雪崩二极管工作在击穿状态 电压和电流的稳定性很重要 特别是电压略有变化 就有可能导致电流激增 使管子烧毁 因此 雪崩二极管应该采用恒流源供电 雪崩二极管的应用 雪崩二极管是一种能产生微波振荡的负阻器件 被广泛用于脉冲和多普勒雷达 相控阵天线以及反射放大器中 作为本机振荡或参量放大器的泵浦源 雪崩二极管用于稳压 此外 雪崩二极管具有和齐纳二极管相似的伏安特性曲线 在击穿状态时 电流在很宽的范围内变化时 二级管两端电压保持稳定 因此 雪崩二极管亦可用于稳压电源电路中 Thanks
