PN結(jié)與二極管原理.ppt

P N結(jié) P Njunction 2 1平衡PN結(jié)2 1 1PN結(jié)的制造工藝和雜質(zhì)分布2 1 2平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖2 1 3平衡PN結(jié)的載流子濃度分布2 2PN結(jié)的直流特性2 2 1PN結(jié)的正向特性2 2 2PN結(jié)的反向特性2 2 3PN結(jié)的伏安特性2 2 4影響PN結(jié)伏安特性的因素2 3PN結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度2 3 1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度2 3 2緩變結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度2 4PN結(jié)的擊穿特性2 4 1擊穿機(jī)理2 4 2雪崩擊穿電壓2 4 3影響雪崩擊穿電壓的因素 2 5PN結(jié)的電容效應(yīng)2 5 1PN結(jié)的勢壘電容2 5 2PN結(jié)的擴(kuò)散電容2 6PN結(jié)的開關(guān)特性2 6 1PN結(jié)的開關(guān)作用2 6 2PN結(jié)的反向恢復(fù)時(shí)間2 6 3提高PN結(jié)開關(guān)速度的途徑2 7金屬 半導(dǎo)體的整流接觸和歐姆接觸2 7 1金屬 半導(dǎo)體接觸的表面勢壘2 7 2金屬 半導(dǎo)體接觸的整流效應(yīng)與肖特基二極管2 7 3歐姆接觸 2 1平衡PN結(jié) 在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的緊密接觸交界處 會(huì)形成一個(gè)具有特殊電學(xué)性能過渡區(qū)域 平衡PN結(jié) 就是指沒有外加電壓 光照和輻射等的PN結(jié) 結(jié)面 基體 襯底 外延層 2 1 1PN結(jié)的雜質(zhì)分布狀態(tài) 合金法 擴(kuò)散法 主流 離子注入法 突變結(jié) 緩變結(jié) 1016 cm3 1019 cm3 結(jié)深 與突變結(jié)相似 2 1 2平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)和能帶圖 空穴為少子 電子為多子 空穴為多子 電子為少子 相互接觸時(shí) 在交界面處存在著電子和空穴的濃度差 各區(qū)中的多子發(fā)生擴(kuò)散 并復(fù)合 消耗 1 空間電荷區(qū)的形成 空穴 電子 交界區(qū)域就形成了空間電荷區(qū) 也叫空間電荷層 耗盡層 空間電荷區(qū)中 形成一個(gè)自建電場 電子 空穴 PN結(jié) 空間電荷區(qū) 耗盡層 內(nèi)電場 電阻 以帶負(fù)電的電子為例 漂移運(yùn)動(dòng)電場力少子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度差多子 動(dòng)態(tài)平衡 兩個(gè)相反的運(yùn)動(dòng)大小相等 方向相反 思考 自建電場對各區(qū)中的少子發(fā)生什么影響 電子 空穴 由于耗盡層的存在 PN結(jié)的電阻很大 2 能帶狀態(tài)圖 沒有外加電壓 費(fèi)米能級(jí)應(yīng)處處相等 即 兩個(gè)區(qū)的費(fèi)米能級(jí)拉平 各自獨(dú)立時(shí) 接觸時(shí) 電場 電場方向是電勢降落的方向 定義電勢能 平衡后 能帶圖是按電子能量的高低畫 P區(qū)電子的電勢能比N區(qū)的高 PN結(jié)接觸電勢差 在空間電荷區(qū)內(nèi) 能帶發(fā)生彎曲 電子從勢能低的N區(qū)向勢能高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí) 必須克服這個(gè)勢能 高坡 PN結(jié)勢壘 勢能坡壘 空間電荷區(qū) 3 PN結(jié)接觸電勢差 Forn typeregion Forp typeregion 即有 式中ND NA分別代表N區(qū)和P區(qū)的凈雜質(zhì)濃度 UD和PN結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度 溫度 材料的禁帶寬度 體現(xiàn)在材料的本征載流子濃度ni上 有關(guān) 在一定溫度下 N區(qū)和P區(qū)的凈雜質(zhì)濃度越大 即N區(qū)和P區(qū)的電阻率越低 接觸電勢差UD越大 禁帶寬度越大 ni越小 UD也越大 室溫下 硅的 0 70V 鍺的 0 32V NA 1017 cm3 ND 1015 cm3 2 1 3平衡PN結(jié)及兩側(cè)的載流子濃度分布 空間電荷區(qū) 少子 少子 多子 多子 擴(kuò)散區(qū) 分布按指數(shù)規(guī)律變化 耗盡區(qū)或耗盡層 空間電荷區(qū)的載流子已基本被耗盡 n 電子 p 空穴 Depletionlayer 空間電荷區(qū)為高阻區(qū) 因?yàn)槿鄙佥d流子 自建電場 2 2PN結(jié)的非平衡雙向直流特性 PN結(jié)非平衡狀態(tài) 在PN結(jié)上施加偏置 Bias 電壓 PN結(jié)的P區(qū)接電源正極為正向偏置 稱正偏forwardbiased 否則為反向偏置 稱反偏reversebiased 并假設(shè) P型區(qū)和N型區(qū)寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度 P型區(qū)和N型區(qū)電阻率足夠低 外加電壓全部降落在勢壘區(qū) 勢壘區(qū)外沒有電場 空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度 空間電荷區(qū)不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 不考慮表面的影響 且載流子在PN結(jié)中做一維運(yùn)動(dòng) 假設(shè)為小注入 即注入的非平衡少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度 Low levelinjection 2 2 1PN結(jié)的正向偏置特性 1 正偏能帶變化圖 非平衡 平衡時(shí) 外加電場 勢壘寬度變窄 電場被削弱 勢壘高度降低 正偏使勢壘區(qū)電場削弱 破壞了原來的動(dòng)態(tài)平衡 載流子的擴(kuò)散作用超過漂移作用 所以有凈擴(kuò)散電流流過PN結(jié) 構(gòu)成PN結(jié)的正向電流 2 外加多子正向注入效應(yīng) 非平衡不同區(qū)的少子濃度分布 比較 平衡PN結(jié) 注入之后都成為所在區(qū)域的非平衡少子 它們主要以擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng) 即在邊界附近積累形成濃度梯度 并向體內(nèi)擴(kuò)散 同時(shí)進(jìn)行復(fù)合 最終形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)分布 兩邊的多子易通過勢壘區(qū) 電阻很小 空穴 電子 3 正向擴(kuò)散區(qū)邊界少子濃度和分布 空穴擴(kuò)散區(qū) 電子擴(kuò)散區(qū) 平衡被破壞 在擴(kuò)散區(qū)和勢壘區(qū) 電子和空穴沒有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí) 這時(shí)只能用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表示 勢壘區(qū) 兩邊界的少子分布 非平衡少子濃度隨著距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 邊界 4 正向電流轉(zhuǎn)換和傳輸 比較 平衡PN結(jié) 漂移 擴(kuò)散 復(fù)合 擴(kuò)散區(qū)中的少子擴(kuò)散電流都通過復(fù)合轉(zhuǎn)換為多子漂移電流 PN結(jié)內(nèi)任意截面的電流是連續(xù)的 Forward activeregime 正向注入 5 PN結(jié)的正向電流 電壓關(guān)系 PN結(jié)內(nèi)各處的電流是連續(xù)的 則通過PN結(jié)的任意截面電流都一樣 因此只要求出空間電荷區(qū)的交界面處的電子電流和空穴電流 就是總的PN結(jié)電流 N區(qū)非平衡少子 空穴的分布函數(shù)為 空穴擴(kuò)散電流密度為 其中 負(fù)號(hào)表示載流子從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散即載流子的濃度隨增加而減小 在處 的邊界處 空穴電流密度為 同理 把注入P區(qū)邊界的非平衡電子的濃度 乘以電子的擴(kuò)散速度 電量和PN結(jié)的截面積 便可以得到在處注入?yún)^(qū)的電子擴(kuò)散電流 正向電流 電壓關(guān)系 I0是不隨外加正偏壓而變化的 在常溫 300K 下 可近似為 即 正向電流隨外加正偏壓的增加按指數(shù)規(guī)律快速增大 重要特性 2 2 2PN結(jié)的反向特性 1 反向抽取作用 反向PN結(jié)空間電荷區(qū)具有 抽取 少子的作用 電場加強(qiáng) 寬度變寬 平衡 非平衡 擴(kuò)散 擴(kuò)散 電場反向抽取 勢壘加高 注入少子 多子 比較 平衡PN結(jié) 多子被阻擋 無大電流少子做貢獻(xiàn) 微電流作用 電阻很大 2 反向邊界少子濃度和分布 2 平衡PN結(jié) 由于反向抽取 邊界處少子濃度低于平衡值 電場加強(qiáng) 擴(kuò)散長度 少子 少子平衡值 反向偏置時(shí) 漂移大于擴(kuò)散 少子平衡值 少子 邊界 邊界 負(fù)指數(shù)變化 反向電流的轉(zhuǎn)換和傳輸 本質(zhì) 空穴電流 電子電流 漂移 掃過 擴(kuò)散 反向電流實(shí)質(zhì)上是在結(jié)附近所產(chǎn)生的少子構(gòu)成的電流 一般情況下 少子濃度都很小 因而反向電流也很小 Reverseregime 少子 少子 邊界 電子電流 空穴電流 多子被阻擋 邊界 IR 2 反向飽和電流 反向電壓U和流過PN結(jié)的反向電流IR之間的關(guān)系為 為反向飽和電流 隨著反向電壓U的增大 IR將趨于一個(gè)恒定值 I0 因少子濃度與本征載流子濃度成正比 并且隨溫度升高而快速增大 所以 反向擴(kuò)散電流對溫度十分敏感 隨溫度升高而快速增大 在300K時(shí) UT 26mV 這時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 呈現(xiàn)的電阻稱為反向電阻 其阻值很大 高達(dá)幾百千歐以上 令 2 2 3PN結(jié)的正 反向V A特性 將PN結(jié)的正向特性和反向特性組合起來 正向電流很小 導(dǎo)通電壓UTH 稱門檻電壓 正向電流達(dá)到某一明顯數(shù)值時(shí)所需外加的正向電壓 正常工作區(qū)的邊界 急劇增大 室溫時(shí) 鍺PN結(jié)的導(dǎo)通電壓約為0 25V 硅PN結(jié)為0 5V Eg q 反向飽和電流 圖有問題 單向?qū)щ娦?正向電壓 正向?qū)?正向注入使邊界少數(shù)載流子濃度增加很大 成指數(shù)規(guī)律增加 電流隨著電壓的增加快速增大 反向電壓 反向截止 反向抽取使邊界少數(shù)載流子濃度減少 很快趨向于零 電壓增加時(shí)電流趨于 飽和 正向電阻小 反向電阻大 leakage 正向?qū)?多數(shù)載流子擴(kuò)散電流 反向截止 少數(shù)載流子漂移電流 2 2 4影響PN結(jié)伏安特性的因素 簡述 V A特性的偏離原因 引起與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離的主要原因有 1 正向PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流 2 反向PN結(jié)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流 3 PN結(jié)表面復(fù)合和產(chǎn)生電流 4 串聯(lián)電阻的影響 5 大注入的影響 大注入 High levelinjection 注入的非平衡少子濃度大于平衡時(shí)多子的濃度 6 溫度的影響 空間電荷的影響 分壓壓降的影響 小注入條件被破壞 少子的影響增強(qiáng) 本征激發(fā) 1 正向PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流 正偏時(shí) 由于空間電荷區(qū)內(nèi)有非平衡載流子的注入 載流子濃度高于平衡值 濃度相差很大復(fù)合影響不顯著 濃度相差很大復(fù)合影響不顯著 電子和空穴濃度基本相等復(fù)合影響顯著 復(fù)合地點(diǎn)不同 通過空間電荷區(qū)復(fù)合中心的復(fù)合相對較強(qiáng) 2 反向PN結(jié)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流 反偏時(shí) 由于空間電荷區(qū)對載流子的抽取作用 空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度低于平衡值 故產(chǎn)生率大于復(fù)合率 產(chǎn)生出來的電子 空穴對 產(chǎn)生電流是反向擴(kuò)散電流之外的一個(gè)附加的反向電流 空間電荷區(qū)寬度隨著反向偏壓的增大而展寬 電荷區(qū)的數(shù)目增多 產(chǎn)生電流是隨反向偏壓增大而增大 3 PN結(jié)表面復(fù)合和產(chǎn)生電流 PN結(jié)的空間電荷區(qū)被延展 擴(kuò)大 表面空間電荷區(qū)的寬度隨反向偏壓的增加而加大 跟PN結(jié)本身的空間電荷區(qū)寬度的變化大體相似 1 表面電荷引起表面空間電荷區(qū) 表面空間電荷區(qū)的復(fù)合中心將引起附加的正向復(fù)合電流和反響的產(chǎn)生電流 表面空間電荷越大 引起的附加的電流也就越大 界面態(tài)的復(fù)合和產(chǎn)生作用 也同樣由于表面空間電荷區(qū)而得到加強(qiáng) 它們對PN結(jié)也將引進(jìn)附加的復(fù)合和產(chǎn)生電流 2 硅 二氧化硅交界面的界面態(tài) 表面溝道電流 表面漏導(dǎo)電流 襯底 正電荷較多 形成N型反型層 PN結(jié)面積增大 因而反向電流增大 表面玷污 引起表面漏電 也將產(chǎn)生反向電流增加 反偏 4 串聯(lián)電阻的影響 PN結(jié)的串聯(lián)電阻 包括體電阻和歐姆接觸電阻 RS RS 結(jié)上電壓降 當(dāng)電流足夠大時(shí) 外加電壓的增加主要降落在串聯(lián)電阻上 電流 電壓特性近似線性關(guān)系 解決辦法 減小體電阻 5 大注入的影響 P N E 正向大電流 注入P區(qū)的非平衡少子電子將產(chǎn)生積累 維持電中性必然要求多子空穴也有相同的積累 多子空穴存在濃度梯度 使空穴產(chǎn)生擴(kuò)散 一旦空穴離開 P區(qū)的電中性被打破 在P區(qū)必然建立起一個(gè)電場E 阻止空穴的擴(kuò)散以維持電中性 該電場為大注入自建電場 該電場的方向是阻止空穴擴(kuò)散 但有助于加速電子的擴(kuò)散 修正的正向電流 P 相比小注入 大注入的特點(diǎn) 1 大注入時(shí) 空穴的電流密度與P區(qū)雜質(zhì)的濃度無關(guān)原因 電中性的條件導(dǎo)致空穴的濃度等于少子電子的濃度 出現(xiàn)了空穴的積累 2 大注入時(shí) 少子電子的擴(kuò)散系數(shù)增加一倍原因 P區(qū)產(chǎn)生自建電場 使少子電子擴(kuò)散的同時(shí) 產(chǎn)生漂移3 小注入時(shí) 電流為 大注入時(shí) 電流為原因 電流增大后 電壓不完全降落在空間電荷區(qū)域 有一部分降落在P區(qū) 6 溫度的影響 隨溫度變化的程度 起決定作用的要算ni 隨著溫度的升高 PN結(jié)正 反向電流都會(huì)迅速增大 在室溫附近 鍺PN結(jié) 溫度每增加10 I0增加一倍 溫度每增加1 正向?qū)妷合陆?mV 硅PN結(jié) 溫度每增加6 I0增加一倍 溫度每增加1 正向?qū)妷合陆?mV 2 3PN結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度 采用 耗盡層 近似 電子 空穴 空間電荷區(qū)不存在自由載流子 只存在電離施主和電離受主的固定電荷 空間電荷區(qū)邊界是突變的 邊界以外的中性區(qū)電離施主和受主的固定電荷突然下降為零 2 3 1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度 平衡時(shí)空間電荷區(qū)的寬度 Xm XP XN 寬度與它們的雜質(zhì)濃度成反比 非對稱空間電荷區(qū) 凈施主濃度 凈受主濃度 結(jié) P N 電場強(qiáng)度 等于通過單位橫截面積的電力線數(shù)目 在空間電荷區(qū)內(nèi)各處是不相同的 平衡時(shí)最大場強(qiáng)為 半導(dǎo)體的電容率 交界面上 真空中每庫侖電荷發(fā)出的電力線數(shù)目為 在P區(qū) 在N區(qū) 突變結(jié)電場分布 場強(qiáng)最大 場強(qiáng)為零 場強(qiáng)為零 直線的斜率正比于摻雜濃度 s s 單邊突變結(jié) 若P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相差很大 如PN 結(jié) N區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P區(qū) 空間電荷區(qū)主要在P區(qū)一側(cè) 電場分布 寬度主要由低摻雜區(qū)N0決定 低摻雜P區(qū) 對于PN 結(jié) N0 NA對于P N結(jié) N0 ND N0 平衡時(shí) 非平衡時(shí) XN 2 3 1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度 以單邊突變結(jié)為例子 空間電荷的寬度為 Xm XP XN XP N區(qū)與P區(qū)的電位差 數(shù)值等于曲線下的三角形面積 對應(yīng)于加反向偏壓 對應(yīng)于加正向偏壓 非平衡時(shí) 平衡時(shí) 突變結(jié)空間電荷區(qū) UT UD U Rewrite 外加偏壓 2 3 2緩變結(jié)空間電荷區(qū)的電場和寬度 用擴(kuò)散法制造的PN結(jié)稱為緩變結(jié) 主流工藝 原材料均勻濃度 結(jié)面 結(jié)深 表面 外加反向電壓較小可近似看做線性緩變結(jié) 反向偏壓較大可看做單邊突變結(jié) 晶體管一般結(jié)深較淺 表面濃度較高 單邊突變結(jié) Xj約10 4cm 外加反偏電壓的有效作用 1 線性緩變結(jié)的電場 XP XN Xm 2 與半邊突變結(jié)不同的是 正負(fù)空間電荷的寬度相等 有 對空間電荷區(qū)積分 電場強(qiáng)度為 表面濃度很低 結(jié)深很深的擴(kuò)散結(jié) 可看做線性緩變結(jié) 線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)和電場分布 XN XP 雜質(zhì)濃度梯度 是一常數(shù) 電場分布呈拋物線 對稱結(jié) 線性緩變結(jié) 非線性 外加電壓 ND NA 問 如何計(jì)算 是何意義 2 線性緩變結(jié)的電位和空間電荷區(qū)域的寬度 2 4PN結(jié)的反向擊穿特性 正向 反向 反向飽和電流 反向電流驟然變大 UB 發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓稱為PN結(jié)的擊穿電壓 略有增長 PN結(jié) 導(dǎo)通 擊穿機(jī)理 目前提出了三種 反向擊穿 死區(qū) 擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞 UB 手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半 雪崩擊穿 AvalancheBreakdown 高能擊穿 可逆 強(qiáng)電場 大動(dòng)能 碰撞 產(chǎn)生如此繼續(xù)下去 同雪崩現(xiàn)象一樣 鍺 硅晶體管的擊穿絕大多數(shù)是雪崩擊穿 硅PN結(jié) 擊穿電壓大于6V的是雪崩擊穿 常見 半導(dǎo)體的摻雜濃度低 隧道擊穿 Zenerbreakdown 齊納擊穿或場致?lián)舸?量子貫穿 可逆 勢壘區(qū)水平距離d變窄 發(fā)生量子隧道效應(yīng) 硅PN結(jié) 擊穿電壓小于4V的是隧道擊穿 當(dāng)PN結(jié)兩邊摻入高濃度的雜質(zhì)時(shí) 其耗盡層寬度很小 即使外加反向電壓不太高 一般為幾伏 在PN結(jié)內(nèi)就可形成很強(qiáng)的電場 可達(dá)2 106V cm 將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來 產(chǎn)生電子 空穴對 使反向電流急劇增加 出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象 隧道貫穿 變窄 強(qiáng)電場 產(chǎn)生原因 熱電擊穿 高熱擊穿 不可逆 反向電流大 熱損耗 結(jié)溫上升 PN結(jié)燒毀 禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料所制成的PN結(jié) 如鍺PN結(jié) 其反向電流大 容易發(fā)生熱擊穿 PN結(jié)正常使用的溫度要小于允許的最高結(jié)溫 Q I2Rt 問 為什么高熱會(huì)使空間電荷區(qū)失效 焦耳熱 2 4 2雪崩擊穿電壓的估算 1 擊穿條件的描述 有效電離率 表示一個(gè)載流子在電場作用下 漂移單位距離時(shí) 碰撞電離產(chǎn)生的電子 空穴對數(shù) 鍺PN結(jié) 硅PN結(jié) 有效電離率主要集中在電場強(qiáng)度最大處附近 一個(gè)載流子通過勢壘區(qū)時(shí) 由碰撞電離所產(chǎn)生的電子 空穴對數(shù)為 勢壘區(qū) 擊穿條件為 由實(shí)驗(yàn)得 倍增因子M隨外加偏壓U的變化規(guī)律為 數(shù)值n根據(jù)半導(dǎo)體材料低摻雜濃度一側(cè)的導(dǎo)電類型而定 雪崩倍增因子 電流倍增的程度 雪崩擊穿不僅與電場強(qiáng)度有關(guān) 還與空間電荷區(qū)寬度有關(guān) M 反向飽和電流 反向電流 U M 一般n 7 2 單邊突變結(jié)的雪崩擊穿電壓 1 擊穿的臨界電場強(qiáng)度 2 雪崩擊穿的電壓 單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓 低摻雜濃度 雪崩擊穿電壓 3 線性緩變結(jié)的雪崩擊穿電壓 最大場強(qiáng) 2 4 3影響雪崩擊穿電壓的因素 雜質(zhì)濃度 如果襯底雜質(zhì)濃度N0高 就容易被擊穿 場強(qiáng)不同 擊穿電壓的因素 雜質(zhì)的濃度 外延層厚度 擴(kuò)散結(jié)結(jié)深和表面狀態(tài) 1 雜質(zhì)濃度對擊穿電壓的影響 2 雪崩擊穿電壓與半導(dǎo)體外延層厚度的關(guān)系 外延層 低摻雜區(qū) 厚度 W 擊穿電壓由N型區(qū)的電阻率決定 外延層較寬 W 外延層 同型材質(zhì)的低摻雜區(qū) 反向偏壓增大 勢壘區(qū)擴(kuò)展 結(jié)面 場強(qiáng)隨著反向偏壓升高而增大 較低的反向偏壓下就會(huì)擊穿 外延層較薄 外延層較薄 勢壘區(qū)擴(kuò)展 穿通效應(yīng) 難以進(jìn)入重?fù)诫s區(qū) 邊界 增加的反向偏壓 結(jié)面 條件 相同的偏壓 N區(qū)的摻雜濃度相同但厚度不同 3 擴(kuò)散結(jié)結(jié)深對擊穿電壓的影響 縱向擴(kuò)散 橫向擴(kuò)散 先發(fā)生擊穿 由于碰撞電離率隨電場強(qiáng)度的增加而快速增大 因此他們的擊穿電壓為 為減小結(jié)深對擊穿電壓的影響 可采取的措施 1 深結(jié)擴(kuò)散 增加曲率半徑 減弱電場集中現(xiàn)象 提高雪崩擊穿電壓 2 磨角法 將電場集中的柱面結(jié)和球面結(jié)磨去 形成臺(tái)型的PN結(jié) 3 采用分壓環(huán) 4 表面狀態(tài)對擊穿電壓的影響 勢壘寬度變薄 擊穿電壓下降 溝道漏電 反型層 帶正電的二氧化硅的正電荷會(huì)使 2 5PN結(jié)的電容效應(yīng) 空間電荷區(qū)的電荷量隨著外加偏壓而變化 PN結(jié)具有電容效應(yīng) 結(jié)具有兩種電容 勢壘電容和擴(kuò)散電容 2 5 1PN結(jié)的勢壘電容 外加反向偏壓減小結(jié)上壓降下降空間電荷區(qū)寬度的減小空間電荷量減少 反向偏壓增加結(jié)上壓降增大空間電荷區(qū)寬度增大空間電荷區(qū)電荷量增加 PN結(jié)電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用 交流影響外加電壓頻率越高 電容的作用也越顯著 高頻影響 PN結(jié)勢壘電容 Barriercapacitance 電容效應(yīng)發(fā)生在勢壘區(qū) 充電 放電 1 PN結(jié)的勢壘電容 PN結(jié)勢壘電容與平行板電容器很相似 但有區(qū)別 半導(dǎo)體介質(zhì)的電容率 結(jié)面積 PN結(jié)電容 通直流 空間電荷區(qū)寬度可變化 勢壘電容是偏壓U的函數(shù) 通常的電容器 隔直流 極板間的距離d是一個(gè)常數(shù) 電容量C與電壓U無關(guān) 注意區(qū)別 A 隨外加電壓變化而變化 只要有一定面積 并電荷發(fā)生變化 就會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng) 2 單邊突變結(jié)勢壘電容 正向偏壓會(huì)使勢壘電容增大 反向電壓會(huì)使勢壘電容減小 UT UD U 比較 什么含義 反向電壓 外加電壓 電位差 3 線性緩變結(jié)勢壘電容 上面的公式均在耗盡層下推倒的 當(dāng)PN結(jié)反偏電壓較高時(shí) 耗盡層近似是合理的 然而反向偏壓較低 特別是施加正向偏壓時(shí) 空間電荷區(qū)有大量的載流子通過 PN結(jié)的勢壘電容將產(chǎn)生較大的誤差 必須進(jìn)行修正 不對稱突變結(jié) 對稱突變結(jié) 線性緩變結(jié) 其中 4 實(shí)際擴(kuò)散結(jié)勢壘電容 擴(kuò)散結(jié)勢壘電容的計(jì)算十分復(fù)雜 通常采用查表法求得 教材圖2 58是在耗盡層近似下 用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算的結(jié)果繪出的圖表曲線 適用于余誤差分布和高斯分布 考慮PN結(jié)的勢壘電容之后 在交流情況下 PN結(jié)可以看成一個(gè)交流電導(dǎo) 或動(dòng)態(tài)電阻 和一個(gè)勢壘電容相并聯(lián)的等效電路 2 5 2PN結(jié)的擴(kuò)散電容 Diffusioncapacitance 擴(kuò)散長度 電子 空穴 p PN結(jié)的擴(kuò)散電容 擴(kuò)散區(qū)中積累電荷量 非平衡少子 也隨著外加電壓而改變 擴(kuò)散電容隨正向電壓加大呈指數(shù)增加 所以和正向電流成正比 正向擴(kuò)散電容 空穴擴(kuò)散區(qū)電容 電子擴(kuò)散區(qū)電容 電子 空穴 2 6PN結(jié)的二極管開關(guān)特性 Diodeswitchingbehavior 國家標(biāo)準(zhǔn) GB 對半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名 二極管 diode 符號(hào) 舊符號(hào) 新符號(hào) 陽極 Anode 陰極 Cathode 2 二極管 A 鍺材料N型 B 鍺材料P型 C 硅材料N型 D 硅材料P型 P 普通管 W 穩(wěn)壓管 zenerdiode Z 整流管 K 開關(guān)管 U 光電管 2CP2AP2CZ2CW 例如 發(fā)光二極管 光電二極管 穩(wěn)壓二極管 后面是廠家編號(hào) 2 6 1PN結(jié)的開關(guān)作用 正向電阻很小 反向電阻很大 略掉正電阻 看成無窮大 正向 反向 開關(guān)作用 反向飽和 死區(qū) 1 二極管的開關(guān)作用 二極管半波整流 斬波 但同相 2 靜態(tài)開關(guān)特性 靜態(tài) 處于相對靜止的穩(wěn)定狀態(tài) 正向 正向?qū)〞r(shí)會(huì)有一個(gè)正向壓降 UD 0 7VPN結(jié)自身有點(diǎn)阻抗 死區(qū) Forwardvoltagedrop 溫度升高時(shí) 二極管的正向壓降將減小 每增加1 正向壓降UD大約減小2mV 即具有負(fù)的溫度系數(shù) PN結(jié)特性對溫度變化很敏感 反映在伏安特性上 溫度升高 正向特性左移 反向特性下移 硅二極管2CP 6 二極管在反向截止時(shí)仍流過一定的反向漏電流I0 硅PN結(jié)的反向漏電流很小 只有納安 nA 數(shù)量級(jí) 數(shù)值越小越好 鍺PN結(jié) A 級(jí) PN結(jié)的整流特性 單向?qū)щ娦?關(guān)鍵在于耗盡層的存在 截止時(shí) 一般認(rèn)為二極管斷開 反向電阻為無窮大 PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才表現(xiàn)出來 2 6 2PN結(jié)的開關(guān)態(tài)反向恢復(fù)時(shí)間 開關(guān)過程只考慮關(guān)閉過程 從關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)變到開態(tài)所需開啟時(shí)間很短 從開態(tài)轉(zhuǎn)變到關(guān)態(tài) U1 U2 所需關(guān)閉時(shí)間卻長得多 反向恢復(fù)過程 反向?qū)?貯存時(shí)間 下降時(shí)間 反向恢復(fù)時(shí)間 反向飽和 反向電流 UD 正向?qū)娏?開態(tài) 關(guān)態(tài) 輸出 輸入 stockpile fall 反向恢復(fù)過程限制了二極管的開關(guān)速度 要保持良好的開關(guān)作用 脈沖持續(xù)時(shí)間不能太短 也就是脈沖的重復(fù)頻率不能太高 這就限制了開關(guān)速度 輸入電壓是一連串正負(fù)相間的脈沖 T 負(fù)脈沖的持續(xù)時(shí)間T比二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大得多 負(fù)脈沖并不能使二極管關(guān)斷 反向恢復(fù)時(shí)間 使輸出伴有延遲 決定了工作頻率 PN結(jié)的電荷貯存效應(yīng) 反向延遲的原因 反向恢復(fù)過程是由電荷貯存效應(yīng)引起的 正向偏壓 正向?qū)〞r(shí)少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象 叫電荷貯存效應(yīng) 電流慣性 正向電流越大 貯存電荷量越多 曲線向上越高 正向?qū)〞r(shí)在各區(qū)的貢獻(xiàn) 反向時(shí)P區(qū)積累的電子極容易通過 E 反向恢復(fù)過程中的載流子濃度的變化 變到 這段時(shí)間就是貯存時(shí)間ts 變到 過程所需的時(shí)間就是下降時(shí)間tf 在各區(qū)的殘留電荷 反向飽和 I0 增大初始反向電流IF 即要求增大U2 減小R 加快反向抽取變化 反向抽取動(dòng)態(tài)變化 貯存電荷的貢獻(xiàn) 貯存電荷量越多 二極管的反向恢復(fù)時(shí)間就越長 2 6 3提高PN結(jié)開關(guān)速度的途徑 1 減小正向?qū)〞r(shí)非平衡載流子的貯存量Q 減小正向電流ID 降低P區(qū)電子的擴(kuò)散長度 從結(jié)構(gòu)來考慮降低少數(shù)載流子的壽命 2 加快貯存電荷量Q消失的過程 最有效 IF1 IF2 IF3 IF越大 反向恢復(fù)時(shí)間trr就越小 反向恢復(fù)時(shí)間隨抽出電流的變化 摻金 金擴(kuò)散 實(shí)驗(yàn)指出 摻金二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是未摻金的幾十分之一 在注入電流和抽出電流相等 即ID IF 的條件下 對突變結(jié) trr 0 9 對緩變結(jié) trr 0 5 當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí) 有二種物理接觸效果 整流接觸 在半導(dǎo)體表面形成了一個(gè)表面勢壘 阻擋層 和PN結(jié)類似 有整流作用 肖特基接觸 勢壘 歐姆接觸 形成沒有整流作用的反阻擋層 高電導(dǎo)區(qū) 等效為一個(gè)小電阻 低阻率