半導(dǎo)體材料與特性

半導(dǎo)體材料與特性---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign第一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign2/86半導(dǎo)體材料與特性(1/25)前言最常見的半導(dǎo)體為矽，用在半導(dǎo)體元件及積體電路其他特殊用途的則有砷化鎵及相關(guān)的化合物，用在非常高速元件及光元件半導(dǎo)體原子：質(zhì)子、中子、電子電子能量隨殼層半徑增加而增加價(jià)電子：最外層的電子，化學(xué)活性主要由其數(shù)目而定第二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign3/86週期表依價(jià)電子數(shù)而排列第四族之矽與鍺為元素半導(dǎo)體砷化鎵為三五族的化合物半導(dǎo)體原子、晶格、共價(jià)鍵無(wú)交互作用之原子(如圖)，靠太近則價(jià)電子交互作用形成晶格，此共用之價(jià)電子稱為共價(jià)鍵因最外邊的價(jià)電子仍為可用的，所以可再加入額外原子形成更大的單一晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料與特性(2/25)第三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign4/86電子與電洞T=0°K時(shí)矽為絕緣體：電子在最低能態(tài)，一個(gè)小電場(chǎng)無(wú)法使電子移動(dòng)，因被束縛於所屬的原子增加溫度：價(jià)電子得到足夠的熱能Eg(能隙能量)以破壞共價(jià)鍵而移出原位，成為晶格內(nèi)的自由電子，且在原位之空能態(tài)為正電荷，此粒子即為電洞半導(dǎo)體材料與特性(3/25)第四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign5/86半導(dǎo)體內(nèi)之電流自由電子流動(dòng)電洞流：價(jià)電子獲得能量而流動(dòng)至鄰近的的空位如同正電荷反向移動(dòng)。能隙能量Eg：破壞共價(jià)鍵的最低能量能隙能量在3-6eV者為絕緣體，由於室溫之下幾乎沒(méi)有自由電子存在，反之為導(dǎo)體半導(dǎo)體的數(shù)量級(jí)約為1eV(=1.6×10-19焦耳)半導(dǎo)體材料與特性(4/25)第五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign6/86能帶圖觀念(a)EV為價(jià)電帶最高能量EC為導(dǎo)電帶最低能量Eg=EV-EC兩能帶間為禁止能隙電子無(wú)法在禁止能隙中存在(b)顯示傳導(dǎo)電子產(chǎn)生過(guò)程電子獲得足夠能量從價(jià)電帶躍遷到導(dǎo)電帶半導(dǎo)體材料與特性(5/25)第六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign7/86本質(zhì)半導(dǎo)體電子及電洞濃度為半導(dǎo)體材料特性之重要參數(shù)，因其直接影嚮電流之大小本質(zhì)半導(dǎo)體無(wú)其他物質(zhì)在晶格內(nèi)之單一晶格半導(dǎo)體材料電子與電洞之密度相同，因皆由熱產(chǎn)生本質(zhì)載子濃度B為常數(shù)，與特定之半導(dǎo)體材導(dǎo)有關(guān)Eg與溫度之關(guān)係不重k為Boltzmann常數(shù)=86×10-6eV/°K半導(dǎo)體材料與特性(6/25)第七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign8/86Example1.1：T=300°K求矽之本質(zhì)載子濃度解：代入公式即可結(jié)果為1.5×1010cm-3，雖不小，但比起原子濃度5×1022cm-3則很小半導(dǎo)體材料與特性(7/25)第八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign9/86外質(zhì)半導(dǎo)體加入雜質(zhì)本質(zhì)半導(dǎo)體的電子電洞濃度相當(dāng)小，僅可有微量電流。適當(dāng)?shù)丶尤肟刂屏康哪承╇s質(zhì)可大為提高。適宜的雜質(zhì)可進(jìn)入晶格取代原來(lái)的電子(即使價(jià)電子結(jié)構(gòu)不同)，常用雜質(zhì)來(lái)自三五族半導(dǎo)體材料與特性(8/25)第九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign10/86施體雜質(zhì)：貢獻(xiàn)自由電子，如磷常用第五族元素有磷與砷。四個(gè)價(jià)電子用以滿足共價(jià)鍵的要求。第五個(gè)價(jià)電子則鬆散去束縛在原子上，室溫下可有足夠熱能破壞鍵結(jié)而成自由電子，因而對(duì)半導(dǎo)體電流有所貢獻(xiàn)。當(dāng)?shù)谖鍌€(gè)價(jià)電子移動(dòng)到導(dǎo)電帶，磷離子則形成帶正電的離子。半導(dǎo)體材料與特性(9/25)第十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign11/86剩下之原子帶正電荷，但在晶格內(nèi)不可移動(dòng)，所以對(duì)電流無(wú)貢獻(xiàn)施體雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，但不產(chǎn)生電洞摻雜：加入雜質(zhì)，控制自由電子(洞)濃度n型半導(dǎo)體：含施體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(10/25)第十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign12/86受體雜質(zhì)：接受價(jià)電子常用第三族元素有硼。三個(gè)價(jià)電子用在三個(gè)共價(jià)鍵，剩下一開放的鍵結(jié)位置。室溫下鄰近的價(jià)電子可有足夠熱能而離至這個(gè)位置，因而產(chǎn)生電洞。剩下之原子帶負(fù)電荷，不可移動(dòng)，有產(chǎn)生電洞而產(chǎn)生電洞電流。半導(dǎo)體材料與特性(11/25)第十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign13/86受體體雜質(zhì)產(chǎn)生電洞，但不產(chǎn)生電子。p型半導(dǎo)體：含受體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體。外質(zhì)半導(dǎo)體含雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體材料，亦稱摻雜半導(dǎo)體。摻雜過(guò)程中可控制以決定材料之導(dǎo)電度及電流。半導(dǎo)體材料與特性(12/25)第十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign14/86電子電洞之濃度關(guān)係在熱平衡下為n0

為自由電子之熱平衡濃度，p0為電洞之熱平衡濃度，ni為本質(zhì)載子濃度室溫下每個(gè)施(受)體原子產(chǎn)生一個(gè)自由電子(電洞)若施(受)體濃度

遠(yuǎn)大於本質(zhì)濃度。

半導(dǎo)體材料與特性(13/25)第十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign15/86多數(shù)及少數(shù)載子：相差數(shù)個(gè)階級(jí)n型半導(dǎo)體：電子為多數(shù)載子，電洞為少數(shù)載子p型半導(dǎo)體：電洞為多數(shù)載子，電子為少數(shù)載子半導(dǎo)體材料與特性(14/25)第十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign16/86Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可考慮在T=300°K下矽被磷摻雜至Nd=1016cm-3

的濃度。請(qǐng)記得例1.1中ni=1.5×1010cm-3解：因Nd＞＞ni，電子濃度為而電洞濃度變?yōu)榘雽?dǎo)體材料與特性(15/25)第十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign17/86漂移與擴(kuò)散兩種導(dǎo)致電子電洞(統(tǒng)稱載子)在半導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)之程序漂移：由電場(chǎng)引起擴(kuò)散：由濃度改變(濃度梯度)所引起梯度的成因可為非均勻摻雜分佈或在某區(qū)注入某量的電子或電洞漂移---假設(shè)給半導(dǎo)體一個(gè)電場(chǎng)，此場(chǎng)產(chǎn)生力量作用在自由電子及電洞而產(chǎn)生漂移速度與移動(dòng)半導(dǎo)體材料與特性(16/25)第十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign18/86n型半導(dǎo)體：電場(chǎng)方向與對(duì)電子產(chǎn)生之力量反向漂移速度

，負(fù)號(hào)表電場(chǎng)相反方向?yàn)殡娮舆w移率，可想成電子在半導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)效果的參數(shù)。低摻雜矽之典型值為1350(cm2/V-s)漂移電流密度n是電子濃度(個(gè)/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電子流反向，但與電場(chǎng)同向半導(dǎo)體材料與特性(17/25)第十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign19/86p型半導(dǎo)體：電場(chǎng)方向與對(duì)電洞產(chǎn)生之力量同向漂移速度

，正號(hào)表相同方向?yàn)殡姸催w移率，低摻雜矽之典型值為480(cm2/V-s)，略小於一半的電子遷移率漂移電流密度p是電洞濃度(個(gè)/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電場(chǎng)與電洞流同向半導(dǎo)體材料與特性(18/25)第十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign20/86總漂移電流密度：半導(dǎo)體有電子及電洞

為半導(dǎo)體的導(dǎo)電度與電子電洞之濃度有關(guān)，單位為(-cm)-1。製成時(shí)選擇摻雜可控制導(dǎo)電度。

,ρ為電阻率，單位為(-cm)

?？煽闯闪硪恍问降臍W姆定律。半導(dǎo)體材料與特性(19/25)第二十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign21/86Example1.3：求漂移電流密度考慮在T=300°K下之矽摻雜濃度Nd=8*1015cm-3的砷原子。假設(shè)遷移率各為

與

。且外加電場(chǎng)為100V/cm。解：由例1.1之結(jié)果知，室溫下矽之ni=1.5×1010cm-3。所以，從(1.9)式得半導(dǎo)體材料與特性(20/25)第二十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign22/86由於兩種載子的濃度有很大的差異，因此導(dǎo)電度可簡(jiǎn)化為或漂移電流可為半導(dǎo)體材料與特性(21/25)第二十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign23/86擴(kuò)散：粒子由高濃度向低濃度流動(dòng)是一種統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象，與動(dòng)力學(xué)理論有關(guān)高濃度粒子一半往低濃度流，低濃度亦一半往高濃度流，所以淨(jìng)結(jié)果是高濃度粒子往低濃度流電子擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dn為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向?yàn)檎齒軸方向半導(dǎo)體材料與特性(22/25)第二十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign24/86電洞擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dp為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向?yàn)樨?fù)X軸方向愛因斯坦方程式擴(kuò)散現(xiàn)象的擴(kuò)散係數(shù)與漂移現(xiàn)象的遷移率兩者間的關(guān)係總電流密度：漂移與擴(kuò)散兩成份之總和通常僅其中一項(xiàng)主導(dǎo)半導(dǎo)體材料與特性(23/25)第二十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign25/86多出載子半導(dǎo)體元件(熱)平衡的消失供給電壓，或有電流存在時(shí)若價(jià)電子與照入之光子交互作用，可能獲得足夠的能量以破壞共價(jià)鍵，而產(chǎn)生電子電洞對(duì)增加的電子電洞即多出電子及多出電洞電子(電洞)濃度：

為多出電子(電洞)濃度為熱平衡下的電子(電洞)濃度半導(dǎo)體材料與特性(24/25)第二十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign26/86穩(wěn)態(tài)：載子不會(huì)無(wú)限增加電子電洞復(fù)合過(guò)程：自由電子與電洞復(fù)合多出載子生命期：多出電子與電洞復(fù)合前存在的平均時(shí)間半導(dǎo)體材料與特性(25/25)第二十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign27/86PN接面(1/22)前言pn接面：半導(dǎo)體電子學(xué)的真正威力所在在多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用中，整個(gè)半導(dǎo)體材料是單一晶格，一區(qū)摻雜成p型，相鄰區(qū)則摻雜成n型平衡的PN接面摻雜分佈及冶金接面---(b)圖的x=0的介面第二十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign28/86在合金接面處最初電子電洞到對(duì)邊材料之?dāng)U散梯度最大從p區(qū)的電洞流使帶負(fù)電荷的受體離子裸露從n區(qū)的電子流使帶正電荷的施體離子裸露在此區(qū)域造成正負(fù)電離子分離空間，形成內(nèi)部電場(chǎng)擴(kuò)散之終止：若無(wú)外加電壓，引發(fā)之電場(chǎng)會(huì)使擴(kuò)散停止，而達(dá)到熱平衡治金接面跨此接面電子電洞皆有很大的濃度梯度PN接面(2/22)第二十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign29/86空乏區(qū)(空間電荷區(qū))：上述正負(fù)離子所存在的區(qū)域此區(qū)域內(nèi)無(wú)可移動(dòng)之電子或電洞內(nèi)建電位障：在p(n)區(qū)受(施)體濃度VT：熱電位，室溫T=300oK約為0.026V因?qū)?shù)函數(shù)，Vbi與摻雜濃度關(guān)係不重，一般矽的pn接面的Vbi約為下例題所求值附近0.1-0.2V之間無(wú)法以電壓計(jì)量得，因探針與半導(dǎo)體會(huì)形成新的電位障保持平衡下，此電位未產(chǎn)生電流PN接面(3/22)第二十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign30/86Example1.5

求內(nèi)建電位障?？紤]在T=300°K下之矽pn接面，p區(qū)摻雜至Na=1016cm-3

而n區(qū)摻雜至Nd=1017cm-3解：隨例題1-1可發(fā)現(xiàn)在室溫下，矽的本質(zhì)載子濃度約為帶入公式可求得PN接面(4/22)第三十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign31/86反偏下的PN接面特性正電壓接在N區(qū)外加電壓所形成電場(chǎng)EA的方向與空乏區(qū)電場(chǎng)方向相同使P(N)區(qū)的電洞(電子)向外側(cè)電路推回PN接面無(wú)載子流過(guò)所以反偏下無(wú)電流產(chǎn)生因空間電荷區(qū)的電場(chǎng)增加，正負(fù)離子電荷也增加，在摻雜濃度不變下，空間電荷區(qū)的寬度會(huì)增加PN接面(5/22)第三十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign32/86接面電容(空乏層電容)Cj0為無(wú)施加電壓時(shí)之接面電容因額外空乏區(qū)的正負(fù)離子電荷隨反偏而增加值常在或低於pF，隨反向偏壓增加而減少，最大電場(chǎng)發(fā)生在冶金接面不論空間電荷區(qū)之電層或施加的反偏電壓不可能無(wú)限增加，因在某個(gè)點(diǎn)即發(fā)生崩潰而產(chǎn)生極大的反偏電流。接面電容將影響PN接面開關(guān)的特性PN接面(6/22)第三十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign33/86Example1-6考慮在T=300°K下具Na=1016cm-3及Na=1016cm-3摻雜的矽pn接面。設(shè)Na=1016cm-3且Cjo=0.5PF。計(jì)算VR=1V及VR=5V下之接面電容。解：內(nèi)建電位由下決定VR=1V與VR=5V時(shí)的電容各為PN接面(7/22)第三十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign34/86順偏下的PN接面：順向偏壓使電位障下降施加電壓所導(dǎo)致的施加電場(chǎng)與熱平衡的空間電荷區(qū)的電場(chǎng)反向，所以總電場(chǎng)小於熱平衡值順偏電流：電子(電洞)由n至p(p至n)因施加電電場(chǎng)破壞了原來(lái)擴(kuò)散與E場(chǎng)力間的平衡順向偏壓需小於內(nèi)建電位障PN接面(8/22)第三十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign35/86順向電流的穩(wěn)態(tài)條件多數(shù)載子電子(電洞)從N(P)區(qū)擴(kuò)散到對(duì)向P(N)區(qū)進(jìn)入對(duì)向區(qū)的主要載子成為此區(qū)的少數(shù)載子在空乏區(qū)邊緣的少數(shù)載子濃度分佈增加多出的少數(shù)載子擴(kuò)散至P-與N-中性區(qū)與此區(qū)的主要載子複合PN接面(9/22)第三十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign36/86理想電壓與電流關(guān)係IS為反向飽和電流，與摻雜濃度及接面截面積有關(guān)。對(duì)矽的PN接面而言，其值在10-15至10-13AVT為熱電壓，室溫下約為0.026Vn為放射係數(shù)或理想因子，介於1至2間(通常用1)與空乏區(qū)的電子電洞結(jié)合有關(guān)小電流時(shí)複合電流主宰，值會(huì)接近2大電流時(shí)複合電流影響不大，值則接近1PN接面(10/22)第三十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign37/86Example1.7考慮一在T=300°K下之矽PN接面，其Is=10-14A且n=1。求vD=+0.70V及vD=-0.70V時(shí)之二極體電流。解：vD=+0.70V時(shí)，pn接面乃順向偏壓，可得

vD=-0.70V時(shí)，pn接面乃反向偏壓，可得PN接面(11/22)第三十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign38/86PN接面二極體PN接面之電流-電壓特性小量順向偏壓的改變，順向電流便增加好幾個(gè)數(shù)量級(jí)順向偏壓大於0.1V則公式內(nèi)之-1項(xiàng)可略去線性座標(biāo)軸對(duì)數(shù)座標(biāo)軸PN接面(12/22)第三十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign39/86PN接面二極體：電壓控制的開關(guān)反向偏壓時(shí)為關(guān)，只有非常小量之電流順向偏壓時(shí)為開，只要相當(dāng)小的施加電壓便產(chǎn)生相當(dāng)大的電流反向飽和電流：反偏至少0.1V時(shí)，電流為-IS，為反向且定值，故稱反向飽和電流，典型值在10-14A產(chǎn)生電流：實(shí)際的反偏電流較大，多出的電流是由於在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子及電洞。典型反向偏壓電流為10-9A(1nA)PN接面(13/22)第三十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign40/86溫度效應(yīng)給定一電流，溫度增加則要求的反向偏壓減少VT為溫度之函數(shù)，對(duì)矽二極體而言約為2mV/oCIS為本質(zhì)載子濃度ni之函數(shù)，所以與溫度強(qiáng)烈有關(guān)理論上每增5oC，IS約變?yōu)殡p倍真正反偏二極體電流一般是每增

10oC則變雙倍(含VT之影響)鍺二極體的ni相對(duì)較大，所以有較大的反向飽和電流，因此溫度增加而使反向電流增加，此不利於多數(shù)電路應(yīng)用PN接面(14/22)第四十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign41/86崩潰電壓現(xiàn)象夠大的反偏電壓在空乏區(qū)形成夠大的電場(chǎng)，使得共價(jià)鍵得以被打斷，而形成電子電洞對(duì)。電子(電洞)被電場(chǎng)掃掃至n(p)區(qū)，而形成反偏電流崩潰電流可被外部電路或因高功率燒毀而限定 崩潰電壓與製成參數(shù)有關(guān)，約在50-200VPIV反向電壓尖值：若要避免崩潰則不可超過(guò)此值PN接面(15/22)第四十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign42/86雪崩崩潰：少數(shù)載子越過(guò)空間電荷區(qū)，得到足夠的動(dòng)能而在移動(dòng)過(guò)程中獲得電場(chǎng)能量，並在遷移過(guò)程中再度撞擊破壞共價(jià)鍵。產(chǎn)生的電子電洞對(duì)又再形成更多次的碰撞，所以引發(fā)雪崩過(guò)程雪崩崩潰與摻雜濃度有關(guān)係濃度越高雪崩崩潰電壓越小⊕?⊕?⊕?⊕?⊕?(1)(2)(3)(4)(5)PN接面(16/22)第四十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign43/86齊納(Zener)效應(yīng)：大量載子穿透(tunneling)PN接面的行為最常發(fā)生在非常高摻雜濃度的接面一般齊納崩潰電壓大多發(fā)生在反偏5V以內(nèi)PN接面(17/22)第四十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign44/86切換暫態(tài)：二極體由一狀態(tài)切換至另一狀態(tài)之速度及特性“關(guān)閉”暫態(tài)反應(yīng)：順偏的”開”切換到反偏的”關(guān)”t<0,PN接面(18/22)第四十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign45/86因順向偏壓與反向偏壓時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)之少數(shù)載子數(shù)不同當(dāng)二極體從順偏切換到反偏後後需要時(shí)間移走或移入這些差距當(dāng)順向偏壓移走時(shí)，相當(dāng)大的擴(kuò)散電流在反偏方向產(chǎn)生主要原因是多出的少數(shù)載子之回流PN接面(19/22)第四十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign46/86大的反偏電流起初由RR所限，約為接面電容無(wú)法使接面電壓瞬間改變瞬間反偏電流IR在0+<t<tS

為常數(shù)

儲(chǔ)存時(shí)間ts：在空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載子濃度達(dá)到熱平衡的時(shí)間掉落時(shí)間tf：初始電流落至初值的10%所需時(shí)間PN接面(20/22)第四十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign47/86關(guān)閉時(shí)間：tf+tS

切換時(shí)間的快慢將會(huì)影響電腦的運(yùn)算速度為使二極體切換快速，二極體必須具備較少的少數(shù)多出少數(shù)載子生命期切換速度會(huì)影響計(jì)算機(jī)的速度為快速切換二極體，二極體需有較短的多出少數(shù)載子生命期且我們需提供大的反向電流脈衝PN接面(21/22)第四十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign48/86導(dǎo)通的暫態(tài)：由反偏的“off”切換至順偏的“on”導(dǎo)通時(shí)間：建立順偏少數(shù)載子分佈的時(shí)間。在這時(shí)間內(nèi)，接面的電壓漸增至穩(wěn)態(tài)。一般小於關(guān)閉時(shí)間。PN接面(22/22)第四十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign49/86二極體電路：DC分析與模型(1/13)前言二極體的I-V特性為非線性可用在由弦波產(chǎn)生直流及一些邏輯函數(shù)理想二極體(如圖)指如非I-V之二極體等式及I-V特性iD=0,二極體施與反偏下iD

>0,vD~0,二極體施與順偏下第四十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign50/86整流器電路：產(chǎn)生直流的第一步輸入正弦波正半週”導(dǎo)通”iD存在，vD~0vO=vI負(fù)半週關(guān)閉二極體如同開路iD=0，vO=0輸出結(jié)果

=0，>0二極體電路：DC分析與模型(2/13)第五十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign51/86二極體電路直流分析的四種進(jìn)行方式疊代法圖解技巧片段線性模型法電腦分析二極體電路：DC分析與模型(3/13)第五十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign52/86疊代法與圖解分析技巧疊代即使用嘗試錯(cuò)誤來(lái)找解圖解分析則是畫出兩個(gè)聯(lián)立方程式找交點(diǎn)圖例：由Kirchhoff電壓定律因，則其中僅VD未知，所以疊代求VD二極體電路：DC分析與模型(4/13)第五十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign53/86Example1.8：求VD及ID。設(shè)二極體之反向飽和電流為Is=10-13A解：我們可寫下關(guān)係式為如果我們首先試VD=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?.7V，所以方程式不平衡，必須再試。如果我們?cè)嘨D=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?5.1V。方程式又不平衡，必須再試。

二極體電路：DC分析與模型(5/13)第五十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign54/86但我們看得出來(lái)，VD之解應(yīng)在0.6及0.65V之間。如果我們繼續(xù)嘗試錯(cuò)誤，我們可以證實(shí)當(dāng)VD=0.619V時(shí)，關(guān)係式式右手邊變?yōu)?.99V，此值基本上已與方程式左手邊之值(5V)相等。把跨於電阻上之電壓降除以電阻值即可得出此電路之電流，即可得出此電路之電流，即二極體電路：DC分析與模型(6/13)第五十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign55/86圖解法：畫出負(fù)載線及二極體的I-V特性曲線由克希荷夫電壓定律在給定VPS

與R後，ID

對(duì)VD

為線性關(guān)係。所畫出來(lái)的線稱為負(fù)載線ID

=0,可得VD=VPS

的水平軸交點(diǎn)VD=0,可得ID

=VPS/R的垂直軸交點(diǎn)靜態(tài)點(diǎn)(Q點(diǎn))：兩線之交會(huì)，即其解此法麻煩，但提供電路響應(yīng)之觀看。二極體電路：DC分析與模型(7/13)第五十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign56/86片段線性模型使用兩個(gè)線性近似VD

≧Vr

,一條線性斜率為1/rf的直線rf為二極體順向電阻；Vr為導(dǎo)通或稱切入電壓如同一個(gè)Vr電壓源與一個(gè)rf電阻串聯(lián)的線性近似二極體電路：DC分析與模型(8/13)第五十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign57/86假設(shè)rf=0VD<Vr

,為一條平行VD軸而無(wú)電流的直線近似等效電路如同開路若rf

=0,二極體片段線性模型電路如下圖所示二極體電路：DC分析與模型(9/13)第五十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign58/86Example1.9：求二極體之電壓、電流與散逸功率。。設(shè)二極體片段線性模型的參數(shù)為Vr=0.6V與rf=10Ω解：由所給定之輸入電壓極性指向可知，二極體乃順向偏壓或〝導(dǎo)通〞，故ID＞0。等效電路如圖1.27(a)所示。二極體電流由下式?jīng)Q定而二極體電壓為二極體電路：DC分析與模型(10/13)第五十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign59/86二極體散逸功率可由求得rf一般甚小於R，所以對(duì)ID影響小，可忽略不計(jì)Vr用0.7V所求得的ID為2.15mAID

不與Vr一有很強(qiáng)的關(guān)連性一般矽二極體用0.7V二極體電路：DC分析與模型(11/13)第五十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign60/86負(fù)載線與片段線性模型之組合假設(shè)Vr=0.7V，rf=0，VPS=+5VQ點(diǎn)只與VPS(橫軸交點(diǎn))及R(橫軸對(duì)縱軸交點(diǎn)比)有關(guān)相同二極體的片段線性模型下A：VPS=5VR=2kΩB：VPS=5VR=4kΩC：VPS

=2.5VR=2kΩD：VPS

=2.5VR=4kΩSlope=-1/R二極體電路：DC分析與模型(12/13)第六十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign61/86反向偏壓時(shí)(注意方向)由克希荷夫電壓定律

分別令I(lǐng)D=0，VD=0可得兩端點(diǎn)而畫出負(fù)載線負(fù)載線在第三象限，交點(diǎn)在VD=-5V及ID=0負(fù)載線二極體電路：DC分析與模型(13/13)第六十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign62/86二極體電路：AC等效電路(1/8)前言當(dāng)半導(dǎo)體元件使用在線性放大器電路時(shí)，ac的特性變得重要，那弦波訊號(hào)會(huì)重疊在dc上弦波分析vi是弦波(時(shí)變)訊號(hào)總輸入vI由dcVPS加上acvi電路分析：分成dc分析及ac分析此非實(shí)際電路，只為說(shuō)明方便，所以把dc與ac分開tVDtVDvD(t)第六十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign63/86Current-voltagerelationships電流電壓皆是ac疊加在dc上假設(shè)ac成份之於dc成份夠小，所以可從非線性二極體發(fā)展一線性ac模型

若ac訊號(hào)夠小，則vd<<VT，則

DQ指二極體dc靜態(tài)二極體電路：AC等效電路(2/8)第六十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign64/86小訊號(hào)增量(擴(kuò)散)電導(dǎo)gd與電阻rd

或則增量電阻是dc偏壓電流IDQ之函數(shù)且與I-V特性曲線之斜率(增量電導(dǎo))成反比電路分析電路分析時(shí)，我們先用分析直流電路再分析交電路dc順偏下使用片段線性模型ac順偏下則使用增量電阻等式二極體電路：AC等效電路(3/8)第六十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign65/86Example1.9

分析下圖電路。假設(shè)電路及二極體之參數(shù)為Vps=5V，R=5kΩ，Vr=0.6V及vi=0.1sinωt(V)解：將分析分為兩部分：直流分析及交流分析。在直流分析時(shí)：令vi=0然後求直流靜態(tài)電流為輸出電壓之直流值為

二極體電路：AC等效電路(4/8)第六十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign66/86在交流分析時(shí)，我們僅考慮交流訊號(hào)及參數(shù)。亦即，我們實(shí)效上令VPS=0。交流KVL方程式變?yōu)樵诖藃d

為小訊號(hào)二極體擴(kuò)散電阻。從公式我們得二極體交流電流為輸出電壓為二極體電路：AC等效電路(5/8)第六十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign67/86頻率響應(yīng)ac訊號(hào)頻率與電路之電容效應(yīng)(擴(kuò)散電容)間的關(guān)係前面分析假設(shè)頻率很小，電容效應(yīng)可以忽略。當(dāng)頻率增加，順偏之?dāng)U散電容變得重要。右圖為少數(shù)載子電洞濃度分布在VDQ偏壓下，pn\VDQ實(shí)線在VDQ

+△V偏壓下，pn\VDQ+△V虛線在VDQ

-△V偏壓下，pn\VDQ-△V虛線二極體電路：AC等效電路(6/8)第六十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign68/86在+△V與-△V的壓差之下，在PN接面間有+△Q的電荷變化量。擴(kuò)散電容

，是由於順偏電壓改變下少數(shù)載子的電荷改變量所造成的結(jié)果。擴(kuò)散電容一般大於接面電容，是由於少數(shù)載子電荷量隨偏壓改變所影響較大。二極體電路：AC等效電路(7/8)第六十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign69/86Small-signalequivalentcircuit電導(dǎo)納gd：擴(kuò)散電導(dǎo)Cd：擴(kuò)散電容Cj

並聯(lián)擴(kuò)散電阻rd與Cd串聯(lián)電阻：N-與P-區(qū)有限電阻，有摻雜但傳導(dǎo)率非無(wú)窮大。小訊號(hào)等效電路用來(lái)發(fā)展電晶體的

小訊號(hào)模型，用在電晶體放大器的

分析設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)易版完整版二極體電路：AC等效電路(8/8)第六十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign70/86其他形式的二極體(1/13)太陽(yáng)能電池---將光能轉(zhuǎn)為電能太陽(yáng)能電池為PN接面元件，無(wú)需供給電壓光擊在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子電洞被電場(chǎng)快速分離且掃出而形成光電流在電阻R產(chǎn)生壓降即供應(yīng)電力可由矽、砷化鎵或其他三五族複合半導(dǎo)體材料所製第七十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign71/86光檢測(cè)器---將光的訊號(hào)轉(zhuǎn)為電的訊號(hào)類似太陽(yáng)能電池，但工作在反向偏壓射入光子或光波產(chǎn)生多出電子電洞在空間電荷區(qū)被電場(chǎng)快速分離且掃出而形成光電流光電流大小正比於射入光子通量其他形式的二極體(2/13)第七十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign72/86發(fā)光二極體---轉(zhuǎn)電流成光順偏時(shí)電子電洞越過(guò)空間電荷區(qū)到另一區(qū)

成為多出少數(shù)載子與多數(shù)載子重組若半導(dǎo)體為直接能隙材料，如砷化鎵，結(jié)合時(shí)動(dòng)量不變且射出光子或光波若半導(dǎo)體為間接能隙材料，如矽，結(jié)合時(shí)動(dòng)量與能量均需守恆，則不太可能射出光子或光波其他形式的二極體(3/13)第七十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign73/86LED的電流IF正比於重組率輸出光的強(qiáng)度正比於二極體電流單石陣列的LED用來(lái)顯示數(shù)字及字母雷射二極體：將光學(xué)共振腔整合到LED，產(chǎn)生非常窄頻的同調(diào)光子輸出光纖系統(tǒng)：如圖，LED與光二極體結(jié)合光纖對(duì)某特定波長(zhǎng)吸收係數(shù)很低其他形式的二極體(4/13)第七十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign74/86Schottkybarrierdiode金屬(如鋁)與中度摻雜的n型半導(dǎo)體

I-V特性與PN接面半導(dǎo)體類似有兩點(diǎn)不同：電流機(jī)制不同：PN接面的電流由少數(shù)載子擴(kuò)散所控制蕭基二極體則是多數(shù)載子越過(guò)冶金接面而造成所以無(wú)少數(shù)載子之囤積故由順向切至反向很快，幾無(wú)儲(chǔ)存時(shí)間其他形式的二極體(5/13)第七十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign75/86Schottky反向飽和電流較大意味著相同順向偏壓時(shí)相同面積的蕭基二極體的電流較大導(dǎo)通電壓也較小利用片段連續(xù)模型時(shí)，與PN接面二極體相比較，

Schottky二極體有較小的導(dǎo)通電壓Vr。其他形式的二極體(6/13)第七十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign76/86Example1.12

Pn接面與Schottky二極體的反向飽和電流各為IS=10-12Aand10-8A,推算出1mA所需的二極體電壓各為多少？解：可由二極體電流電壓公式可推得二極體電壓為其他形式的二極體(7/13)第七十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign77/86PN二極體電壓為Schottky二極體電壓為由於Schottky二極體的反向飽和電流Is

相較PN接面二極體大，因此較小的接面壓降就可以獲得需要的電流其他形式的二極體(8/13)第七十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日---DonaldA.Neamen---MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign78/86另一種金屬-半導(dǎo)體接面歐姆接點(diǎn)---電流可以雙向?qū)ń饘倥c重度摻雜的半導(dǎo)體接觸