PN结在大注入条件下的数学分析

本文结合半导体物理中的复合理论的知识对发生大注入条件下的PN结的电流公式进行数学推导。在学习理工科课程的过程中若只接触到语言性描述是很不足够的,有必要通过对数学描述的逻辑理解而达到一个认知的高度。由于大部分教材对于PN结大注入的数学描述往往是一笔带过的,许多学生不免对PN结大注入条件下的电流公式的得出颇感困惑。针对这一问题,本文详细介绍了PN结大注入条件下的电流公式的得出过程,旨在帮助初学者理解PN结大注入这一物理现象。     

注入判据

一、建立注入判据的必要性PN结理论是半导体结型器件的理论基础,PN结的正向电流—电压特性是这个理论基础的重要组成部分,这个理论以在小注入和大注入两种特殊情况下正向PN结空间电荷区边界处非平衡少子浓度和结电压之间的关系为基础,导出了正向PN结电流——电压之间的两种关系式,这是人们所熟知的。以均匀掺杂的N~ P结为例,即小注入(小注入条件是△n(xp )∠∠Ppo)时     

双极型非线性电路直流分析的一种快速算法

本文利用双极性器件非线性模型中PN结电流电压方程的特点导出了牛顿—拉夫逊(Newton—Raphson)迭代公式的修正公式。这一公式的算法不需求高阶导数,但却达到了加快收敛的效果。     

利用PN结温度特性测试仪测量玻尔兹曼常数

本文利用PN结正向压降温度特性测试仪,测量了PN结电压电流特性。验证了PN结电压与电流的指数关系,并利用Excel进行曲线拟合,再计算出玻尔兹曼常数。     

晶体管集电结由反偏到正偏的物理过程讨论

本文简述了晶体管作开关运用时集电结由反偏状态向正偏状态转化的物理本质。在动态过程的分析中引入了非中性多子和非中性少子的新提法。得出如下结论:1.只要PN结两侧出现非中性多子(即户区出现呈现非中性状态的空穴,N区出现呈现非中性状态的电子)PN结就必然由宽变窄。反之,如PN结两侧出现非中性少子则PN结就必然由窄变宽。2.P区和N区的电中性状态是PN结宽度的稳定条件。     

PN结的电容效应

对突变结和缓变结这两种设想的模型,利用泊松方程证明了PN结的势垒电容与一平行板电容等效,并得出计算公式。     

位移电流密度公式的一种导出方法

位移电流密度公式ｊＤ＝Ｄｔ的导出在大多数电磁学教材里以及有关文献中都是用平行板电容器的充放电过程这个特例得出全电流公式,并指出全电流的连续性,以此得出位移电流密度公式。然而在教学中学生往往不易理解其物理含义,对位移电流的实质也认识不清,使学生认为只有传导电流为零的地方才由位移电流“接下去”。本文从电荷运动和场的变化的整体观念,运用高斯定律和电荷守恒定律来导出位移电流的密度公式,其推导过程本身对学生理解全电流的概念亦有帮助。设Ｓ为空间任一闭合曲面,其法线向外,如图１所示,Ｃ为Ｓ上一有向闭合曲线…     

PN结正向伏安特性随温度变化的实验设计

讨论了不同温度下PN结的正向伏安特性的测量方法,设计了利用TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪研究PN结正向伏安特性曲线随温度变化的实验,定性地分析了PN结正向伏安特性随温度变化的规律;利用Excel进行指数拟合测定了波尔兹曼常数,并确定了常温下PN结的反向饱和电流,从而定量地描述PN结的正向伏安特性曲线,取得了较为准确的实验结果。     

用改进的EM模型研究数字集成晶体管中的寄生晶体管效应

利用基尔霍夫电流定律修改双极晶体管的EM(Ebers—Mo11)模型，使得它适合描述4层结构的数字集成晶体管．这样通过流经各个PN结的电流的变化，可以研究数字集成晶体管在不同工作状态下寄生晶体管的效应．     

半导体中的强电场效应

本文,从教学的角度出发,避开繁琐的数学推导,对半导体中的各种强电场现象,如热电子、反向 PN 结隧道效应(齐纳击穿)和雪崩击穿以及正向 PN 结的隧道效应(江崎效应)等以能量的观点试作说明。在金属中,由于自由电子的浓度 n 大,电导率σ=ne~2τ/m 也大。在强电场 E 的作用下,流过的电流 J=σ·E 是很大的。由于焦耳热的散失,温度上升到一定程度而趋于稳定值。因此,在金属中能较好地遵从欧姆定律。然而在半导体中,因为 n、σ小,当逐步加大电场时,σ成为电场的函数,也就是出现非线性传导现象,即偏离欧姆定律的强电场效应。     

半导体PN结温度特性实验

讨论了不同温度下PN结的正向压降和伏安特性的测量方法,设计了利用TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪研究PN结正向压降及伏安特性曲线随温度变化的实验,定性分析了PN结正向压降及伏安特性随温度变化的规律;利用Excel进行曲线拟合测定了正向压降随温度变化的灵敏度、玻尔兹曼常数以及PN结的反向饱和电流,从而定量描述了PN结的伏安特性,取得了较为准确的实验结果。     

PN结反向电流的温度特性

本文全面介绍了PN结反向电流及其温度特性的理论     

温度对太阳能电池特性的影响

对硅太阳能电池温度特性进行实验研究。在无光照条件下,太阳能电池可看做成一个PN结,正向电流在确定外加电压下是随着温度升高而增大的。用高压氙灯模拟太阳光,测得太阳能下电池不同温度的光照特性。温度升高使得太阳能电池短路电流Isc小幅升高,开路电压Voc降低明显,填充因子下降,光电转换效率明显下降。     

对单位冲激函数及其响应的讨论

本文通过单位斜坡函数的演变来理解单位冲激函数的数学基础。通过ＲＣ 一阶电路在恒定电流作用下的零状态响应与冲激电流源作用下,ＲＣ一阶电路的响应比较,得出单位冲激响应其实质是零输入响应。     

高压反偏硅PN结的漏电流对研磨损伤层的影响

本文通过对硅整流管反偏直流产生电流温度关系、伏安特性和对应的深能级瞬态谱(DLTS)的研究,揭示了均为硬转折特性的试样漏电流有较大差异的根源是:表面研磨损伤层引入了新的深中心,使PN结的漏电流增加了一个隧道电流分量;并分析了导电机理.根据理论分析,修正了反偏PN结漏电流理论.     

玻尔兹曼常数的Multisim仿真实验测试

PN结正向扩散电流随正向电压按指数规律变化,这是PN结的物理特性,也是玻尔兹曼常数实验测试原理,按照FD-PN-2型PN结物理特性测定仪所给出的实验线路及元器件型号,在计算机上应用Multisim仿真软件构建虚拟仿真实验电路进行虚拟实验,给出了Multisim仿真实验方案及参数设置方法.在仿真实验中,通过调整可变电阻改变三极管发射结上的电压,以实现输出电压的改变.对得到的数据,用最小二乘法进行线性回归、乘幂回归和指数回归,对比标准偏差、相关系数,分析实验数据与几种函数的拟合情况,确定拟合的曲线为指数规律变化曲线,在室温条件下,计算玻尔兹曼常数的结果与公认值相当接近.该虚拟仿真实验测试电路简洁,实验过程直观明了,电压调节方便,数据计算结果较为精确,有助于学生创建良好的仿真实验环境,提升实验水平和教学效果.     

关于提高SOA光交换速度的研究

本文通过理论分析得出,提高SOA的光交换速率可通过对SOA交换信号中注入电流前加入峰值电流脉冲来实现,并对所需要实现的SOA高速光交换电路进行了描述,通过结果讨论得出伴随峰脉冲电流的注入和持续时间的减少,SOA光交换时间将会减少,进而从理论分析和实现电路中得出SOA可以实现在高速率光交换系统中的应用。     

二次击穿的协同学原理

本文研究PN结的二次击穿。考虑温度与电流的合作行为,写出时率方程;进行稳定性分析;应用协同学原理,得到发生二次击穿的条件和预防二次击穿的途径;对电压急剧下降现象给出了物理解释。     

高灵敏度宽光谱范围的硅光电二极管的研究

本文利用浅PN结对短波长光的响应比较灵敏,深PN结对长波长光的响应比较灵敏的原理,提出一种壶状PN结的结构形式,以扩大光谱响应范围,提高电流响应.实验收到了预期的效果,而且与理论分析计算结果比较符合.     

p-n结正向不稳态的异常衰减

本文从结电容放电的观点探讨注入电流脉冲结束后p—n结不稳态的异常衰减过程。分析指出:在小注入条件下,结暂态电压有两种异常衰减,都形成驼峰曲线。势垒区复合中心导致开路驼峰出现;结并联漏电通道则诱发非开路驼峰。这两种驼峰的发生都归结于势垒电容放电。开路驼峰曲线的拐点为V_t(t_i)=V_D-(2KT/q)(突变结)及V_g-(4KT/3q)(线性缓变结);非开路驼峰曲线的拐点则为V_t(t_i)=(2/3)V_D(突变绪)及(3/4)V_g(线性缓变结)。两种驼峰曲线的初段均可用来测量结型器件的少子寿命。