模拟CMOS 基础知识1——PN结与二/三极管

古城微笑少年丶 2022-10-31 04:21 25阅读 0赞

### 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 Nd donor atoms(理解成参杂原子)，then the density(密度) of free electrons = Nd cm3
     *  if we add Na donor atoms(理解成参杂原子)，then the density(密度) of holes = Na 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 ≈ Nd
         *  p ≈ ni2 /Nd
     *  For p-type Si:
        
         *  p ≈ Na
         *  n ≈ ni2 /Na
 *  Diffusion current (扩散电流):
    
     *  Diffusion:high concentration to low concentration region（高浓度向低浓度扩散）
     *  Jtot=(Dn\*dn/dx-Dp\*dp/dx)q
     *  ![hello][] \- 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 v=E 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。
    
     *  ![image-20210218170547424][]
     *  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 ######

*  ![image-20210218182313962][] \- 公式略

###### 4、反向击穿 ######

*  上一点中UBR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）CB
    
     *  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。
     *  ![image-20210221155020719][]
 *  扩散电容CD
    
     *  ![image-20210221155037612][]
 *  于是结电容可以表示成：Cj=CD\+CB
 *  观察上两图可以发现：
    
     *  当正偏大时候，（通常来说CD>>CB），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CD<<CB），虽然二者都很小，但相对而言主要电容是耗尽电容，故此时Cj=CB
     *  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。

#### 三极管 ####

*  二极管的特性基本就看PN结就行了下面是有关于三极管的原理
 *  [参考视频：三极管从4:08开始][4_08]
 *  以下是我的理解：
    
     *  ![image-20210221163302235][]
     *  ![image-20210221163324974][]
 *  而对于PNP，也有放大功能，我的理解是
    
     *  ![image-20210221164811598][]
     *  [参考链接][Link 1]

[hello]: /images/20221024/72333d45158b421b88382a6eff8828e6.png
[image-20210218170547424]: /images/20221024/b3d5477d4abd4402b9abf7c5ac85de74.png
[image-20210218182313962]: /images/20221024/b11a0af2b3e64c9bb01bb9b70726c394.png
[image-20210221155020719]: /images/20221024/6dbd64dbef7444ad8a8699ab6e6ffd0b.png
[image-20210221155037612]: /images/20221024/a4f705fe130c46128fb3a48ccc31dc42.png
[4_08]: https://www.bilibili.com/video/BV12x41187RN
[image-20210221163302235]: /images/20221024/66a0c9105236433b8221a5f8076af3e0.png
[image-20210221163324974]: /images/20221024/730ea2477d824e68bd6b51b0c3666c58.png
[image-20210221164811598]: /images/20221024/7530d0a4e9514361b60a08099bdf38e7.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/wwwlyj123321/article/details/79230042