模拟CMOS 基础知识1——PN结与二/三极管

本文主要是介绍模拟CMOS 基础知识1——PN结与二/三极管，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

模拟CMOS 基础知识1——PN结与二/三极管

文章目录

- - 模拟CMOS 基础知识1——PN结与二/三极管
  - - 视频中的概念补充：
    - PN结
    - - PN结的形成
      - PN结的特性
      - 1、正向偏置
        2、反向偏置
        3、伏安特性
        4、反向击穿
        5、结电容
    - 三极管

视频中的概念补充：

n-type=加P（磷）等元素使得free electrons 成为多数
p-type=加B（硼）等元素使得holes称为多数
- if we add N_d donor atoms(理解成参杂原子)，then the density(密度) of free electrons = N_d cm³
- if we add N_a donor atoms(理解成参杂原子)，then the density(密度) of holes = N_a cm³
- n=density of free electrons
- p=density of free holes
- For pure Si(纯硅)：p=n=ni =>n*p=ni²
- For doped Si(参杂硅)：n*p=ni²
- For n-type Si:
  - n ≈ N_d
  - p ≈ ni²/N_d
- For p-type Si:
  - p ≈ N_a
  - n ≈ ni²/N_a
Diffusion current (扩散电流):
- Diffusion:high concentration to low concentration region（高浓度向低浓度扩散）
- J_tot=(D_n*dn/dx-D_p*dp/dx)q
- - Injected elections recombine with holes in the semiconductor(注入电子在半导体中重组了holes)——随着传播距离的增加电子填坑，于是就变得越来越少了，即上图所示。
Drift current（漂移电流）
- 在没有电场作用时，半导体中载流子在运动中不时遭到散射作杂乱无章的热运动，并不形成电流。当有电场存在时，使所有载流子沿电场力方向作定向运动。这种载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。所构成的电流为漂移电流。定向运动的平均速度叫做漂移速度。在弱电场下，载流子的漂移速度v与电场强度E成正比$
  $v = E$
- 式中是载流子迁移率，简称迁移率。它表示单位场强下载流子的平均漂移速度，单位是m²/Vs或cm²/Vs。迁移率数值决定于半导体能带结构、材料中杂质和缺陷对载流子的作用、以及其中原子的热运动等因素。通常在同一种半导体中，电子的迁移率比空穴的大。迁移率是反映半导体载流子导电能力的重要参数。

PN结

PN结的形成

将p型和n型半导体制作在同一片硅片上，在他们的交界处就形成了PN结。
- 原理就是上文提到的扩散，扩散到一定程度后就出现了空间电荷区（也叫耗尽层（depletion region）），而在此处就形成了内电场，扩散作用下，空间电荷区会加宽，内电场会增强。最终空间电荷区的宽度取决于PN结两侧的参杂浓度。
- 由于内电场的作用，会导致n的holes流向p，p的freedom electrons流向n，以抵消扩散的效应，在某个时间点会达到动态平衡。

PN结的特性

1、正向偏置

p接电源正，n接电源负——正向偏置
此时电源正负极的电场抵消了内电场（还多），并使得空间电荷区减少，扩散电流加剧，从而形成了正向电流。

2、反向偏置

p接电源负，n接电源正——反向偏置
此时电源正负极的电场加强了内电场，并使得空间电荷区增加，于是漂移电流加剧，但是少子数目非常少，因此，漂移电流产生的电流也很小，故可忽略不计。

3、伏安特性

- 公式略

4、反向击穿

上一点中U_BR左侧部分为反向击穿曲线，反向击穿分为两种
- 齐纳击穿：
  - 反向电压过大内电场（耗尽层）直接破坏掉共价键，使得电子脱离共价键的束缚，形成电子-空穴对，导致电流迅速增大。
- 雪崩击穿：
  - 当反向电压增加到某一层时，耗尽层加快了少子的漂移速度导致自由电子与共价键碰撞，使得介电子脱离共价键产生电子-空穴对。
  - 由于新产生的电子被电场加速后又碰撞出其他价的电子，使得载流子雪崩式增加，电流急剧增大。

5、结电容

耗尽电容（势垒电容）C_B
- 耗尽层宽度会随着PN结两侧电压变化而变化，这种现象类似于电容充放电过程，因此，耗尽层中所产生的电容效应称为耗尽电容。
扩散电容C_D
于是结电容可以表示成：C_j=C_D+C_B
观察上两图可以发现：
- 当正偏大时候，（通常来说C_D>>C_B），二者都会变的很大，于是表达式就是上述的
- 当反偏的时候，（通常来说C_D<<C_B），虽然二者都很小，但相对而言主要电容是耗尽电容，故此时C_j=C_B
- 在此基础上套上电容的特性（直流开路，交流通路）就是PN结的结电容的特性了。