（優(yōu)選）結(jié)與二極管原理課件第一頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)和寬度2.3.1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和寬度2.3.2緩變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)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(shì)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(shì)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歐姆接觸第二頁(yè)，共110頁(yè)。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）第三頁(yè)，共110頁(yè)。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/cm31019/cm3結(jié)深與突變結(jié)相似第四頁(yè)，共110頁(yè)。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接觸前

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)的形成空穴電子第五頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)

電子空穴PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場(chǎng)=電阻第六頁(yè)，共110頁(yè)。以帶負(fù)電的電子為例：漂移運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)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(chǎng)對(duì)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。？第七頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)電場(chǎng)方向是電勢(shì)降落的方向；定義電勢(shì)能：平衡后第八頁(yè)，共110頁(yè)。能帶圖是按電子能量的高低畫P區(qū)電子的電勢(shì)能比N區(qū)的高PN結(jié)接觸電勢(shì)差

在空間電荷區(qū)內(nèi)，能帶發(fā)生彎曲，電子從勢(shì)能低的N區(qū)向勢(shì)能高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這個(gè)勢(shì)能“高坡”

——PN結(jié)勢(shì)壘勢(shì)能坡壘

空間電荷區(qū)

第九頁(yè)，共110頁(yè)。3、PN結(jié)接觸電勢(shì)差

Forn-typeregionForp-typeregion第十頁(yè)，共110頁(yè)。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(shì)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/cm3ND=1015/cm3第十一頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)第十二頁(yè)，共110頁(yè)。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)：①P型區(qū)和N型區(qū)寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；②P型區(qū)和N型區(qū)電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)外沒有電場(chǎng)；③空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，空間電荷區(qū)不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合；④不考慮表面的影響，且載流子在PN結(jié)中做一維運(yùn)動(dòng)；⑤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第十三頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)

勢(shì)壘寬度變窄

電場(chǎng)被削弱勢(shì)壘高度降低正偏使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)削弱，破壞了原來(lái)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。第十四頁(yè)，共110頁(yè)。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。擴(kuò)散長(zhǎng)度電子

空穴

p兩邊的多子易通過勢(shì)壘區(qū)電阻很小空穴電子第十五頁(yè)，共110頁(yè)。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(shì)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(shì)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)邊界第十六頁(yè)，共110頁(yè)。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正向注入第十七頁(yè)，共110頁(yè)。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：第十八頁(yè)，共110頁(yè)。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：第十九頁(yè)，共110頁(yè)。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：第二十頁(yè)，共110頁(yè)。第二十一頁(yè)，共110頁(yè)。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

——重要特性第二十二頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)加強(qiáng)

寬度變寬

平衡非平衡擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)反向抽取勢(shì)壘加高注入少子

多子

比較：平衡PN結(jié)多子被阻擋——無(wú)大電流少子做貢獻(xiàn)——微電流作用——電阻很大第二十三頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)加強(qiáng)擴(kuò)散長(zhǎng)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)變化第二十四頁(yè)，共110頁(yè)。第二十五頁(yè)，共110頁(yè)。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IR2第二十六頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)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。令第二十七頁(yè)，共110頁(yè)。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(lái)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！第二十八頁(yè)，共110頁(yè)。單向?qū)щ娦哉螂妷骸驅(qū)?；正向注入使邊界少?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?shù)載流子擴(kuò)散電流；反向截止，少數(shù)載流子漂移電流；第二十九頁(yè)，共110頁(yè)。2.2.4影響PN結(jié)伏安特性的因素(簡(jiǎn)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))第三十頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)較強(qiáng)第三十一頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)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(lái)的電子

空穴對(duì)

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。第三十二頁(yè)，共110頁(yè)。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。第三十三頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)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)

第三十四頁(yè)，共110頁(yè)。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?反偏第三十五頁(yè)，共110頁(yè)。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)上電壓降襯底當(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第三十六頁(yè)，共110頁(yè)。5.大注入的影響PN+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(chǎng)E，阻止空穴的擴(kuò)散以維持電中性，該電場(chǎng)為大注入自建電場(chǎng)。該電場(chǎng)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第三十七頁(yè)，共110頁(yè)。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(wú)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(chǎng)，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)第三十八頁(yè)，共110頁(yè)。6.溫度的影響隨溫度變化的程度，起決定作用的要算ni

I0∝∝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。第三十九頁(yè)，共110頁(yè)。2.3PN結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和寬度

采用“耗盡層”近似:電子空穴①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；②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。第四十頁(yè)，共110頁(yè)。2.3.1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)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(duì)稱空間電荷區(qū)凈施主濃度

凈受主濃度

結(jié)PN第四十一頁(yè)，共110頁(yè)。電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)為半導(dǎo)體的電容率空間電荷區(qū)交界面邊界邊界交界面上真空中每庫(kù)侖電荷發(fā)出的電力線數(shù)目為：第四十二頁(yè)，共110頁(yè)。在P區(qū)第四十三頁(yè)，共110頁(yè)。在N區(qū)第四十四頁(yè)，共110頁(yè)。突變結(jié)電場(chǎng)分布場(chǎng)強(qiáng)最大場(chǎng)強(qiáng)為零場(chǎng)強(qiáng)為零直線的斜率正比于摻雜濃度ss第四十五頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)分布+寬度主要由低摻雜區(qū)N0決定。低摻雜P區(qū)對(duì)于PN+結(jié)，N0=NA對(duì)于P+N結(jié)，N0=NDN0平衡時(shí)非平衡時(shí)XN第四十六頁(yè)，共110頁(yè)。2.3.1突變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)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第四十七頁(yè)，共110頁(yè)?！?”對(duì)應(yīng)于加反向偏壓“

”對(duì)應(yīng)于加正向偏壓

非平衡時(shí)平衡時(shí)第四十八頁(yè)，共110頁(yè)。突變結(jié)空間電荷區(qū)UT=UD±U

Rewrite外加偏壓第四十九頁(yè)，共110頁(yè)。2.3.2緩變結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和寬度

用擴(kuò)散法制造的PN結(jié)稱為緩變結(jié)——主流工藝PN結(jié)結(jié)面襯底氧化層擴(kuò)散深度第五十頁(yè)，共110頁(yè)。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第五十一頁(yè)，共110頁(yè)。1、線性緩變結(jié)的電場(chǎng)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，有第五十二頁(yè)，共110頁(yè)。對(duì)空間電荷區(qū)積分，電場(chǎng)強(qiáng)度為：第五十三頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)分布XN＝XP＝雜質(zhì)濃度梯度，是一常數(shù)電場(chǎng)分布呈拋物線對(duì)稱結(jié)線性緩變結(jié)非線性外加電壓NDNA問：如何計(jì)算？是何意義？第五十四頁(yè)，共110頁(yè)。2、線性緩變結(jié)的電位和空間電荷區(qū)域的寬度第五十五頁(yè)，共110頁(yè)。第五十六頁(yè)，共110頁(yè)。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(zhǎng)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(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半第五十七頁(yè)，共110頁(yè)。雪崩擊穿(AvalancheBreakdown)——高能擊穿，可逆強(qiáng)電場(chǎng)——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；第五十八頁(yè)，共110頁(yè)。隧道擊穿(Zenerbreakdown)（齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?/p>

——量子貫穿，可逆勢(shì)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(chǎng)(可達(dá)2×106V/cm),將共價(jià)鍵的價(jià)電子直接拉出來(lái),產(chǎn)生電子-空穴對(duì),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(chǎng)產(chǎn)生原因：第五十九頁(yè)，共110頁(yè)。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:硅管150∽200oC鍺管75∽100oCQ=I2

Rt問：為什么高熱會(huì)使空間電荷區(qū)失效？（焦耳熱）第六十頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)作用下，漂移單位距離時(shí)，碰撞電離產(chǎn)生的電子

空穴對(duì)數(shù)。鍺PN結(jié)硅PN結(jié)有效電離率主要集中在電場(chǎng)強(qiáng)度最大處附近；一個(gè)載流子通過勢(shì)壘區(qū)時(shí)，由碰撞電離所產(chǎn)生的電子

空穴對(duì)數(shù)為

勢(shì)壘區(qū)第六十一頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)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第六十二頁(yè)，共110頁(yè)。2、單邊突變結(jié)的雪崩擊穿電壓（1）擊穿的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度第六十三頁(yè)，共110頁(yè)。第六十四頁(yè)，共110頁(yè)。（2）雪崩擊穿的電壓第六十五頁(yè)，共110頁(yè)。第六十六頁(yè)，共110頁(yè)。單邊突變結(jié)雪崩擊穿電壓低摻雜濃度雪崩擊穿電壓第六十七頁(yè)，共110頁(yè)。3、線性緩變結(jié)的雪崩擊穿電壓

第六十八頁(yè)，共110頁(yè)。第六十九頁(yè)，共110頁(yè)。第七十頁(yè)，共110頁(yè)。最大場(chǎng)強(qiáng)第七十一頁(yè)，共110頁(yè)。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(chǎng)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(duì)擊穿電壓的影響第七十二頁(yè)，共110頁(yè)。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(shì)壘區(qū)擴(kuò)展結(jié)面第七十三頁(yè)，共110頁(yè)。場(chǎng)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(shì)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)面第七十四頁(yè)，共110頁(yè)。條件：相同的偏壓，N區(qū)的摻雜濃度相同但厚度不同。第七十五頁(yè)，共110頁(yè)。3、擴(kuò)散結(jié)結(jié)深對(duì)擊穿電壓的影響縱向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散第七十六頁(yè)，共110頁(yè)。先發(fā)生擊穿

由于碰撞電離率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而快速增大，因此他們的擊穿電壓為：第七十七頁(yè)，共110頁(yè)。為減小結(jié)深對(duì)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(chǎng)集中現(xiàn)象，提高雪崩擊穿電壓；2、磨角法：將電場(chǎng)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)第七十八頁(yè)，共110頁(yè)。4、表面狀態(tài)對(duì)擊穿電壓的影響勢(shì)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：第七十九頁(yè)，共110頁(yè)。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)

電子空穴DepletioncapacitanceＰＮ結(jié)具有兩種電容：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。第八十頁(yè)，共110頁(yè)。2.5.1PN結(jié)的勢(shì)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(shì)壘電容(Barriercapacitance)——電容效應(yīng)發(fā)生在勢(shì)壘區(qū)。+-+-充電放電1、PN結(jié)的勢(shì)壘電容第八十一頁(yè)，共110頁(yè)。PN結(jié)勢(shì)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(shì)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(wú)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)；第八十二頁(yè)，共110頁(yè)。2、單邊突變結(jié)勢(shì)壘電容

正向偏壓會(huì)使勢(shì)壘電容增大，反向電壓會(huì)使勢(shì)壘電容減小。UT=UD±U

比較什么含義？反向電壓：+外加電壓電位差第八十三頁(yè)，共110頁(yè)。3、線性緩變結(jié)勢(shì)壘電容

第八十四頁(yè)，共110頁(yè)。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(shì)壘電容將產(chǎn)生較大的誤差，必須進(jìn)行修正：不對(duì)稱突變結(jié)：對(duì)稱突變結(jié)：第八十五頁(yè)，共110頁(yè)。線性緩變結(jié)其中：第八十六頁(yè)，共110頁(yè)。4、實(shí)際擴(kuò)散結(jié)勢(shì)壘電容

擴(kuò)散結(jié)勢(shì)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?？紤]PN結(jié)的勢(shì)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(shì)壘電容相并聯(lián)的等效電路。第八十七頁(yè)，共110頁(yè)。2.5.2PN結(jié)的擴(kuò)散電容(Diffusioncapacitance)擴(kuò)散長(zhǎng)度電子空穴pPN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)電容電子空穴第八十八頁(yè)，共110頁(yè)。2.6PN結(jié)的二極管開關(guān)特性(Diodeswitchingbehavior)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)對(duì)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(yáng)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))第八十九頁(yè)，共110頁(yè)。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(wú)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)作用第九十頁(yè)，共110頁(yè)。二極管半波整流斬波，但同相第九十一頁(yè)，共110頁(yè)。2、靜態(tài)開關(guān)特性

靜態(tài)——處于相對(duì)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=0.7V

PN結(jié)自身有點(diǎn)阻抗；UD正向壓降ID死區(qū)Forwardvoltagedrop第九十二頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)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。UD1UD2第九十三頁(yè)，共110頁(yè)。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(wú)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(lái);第九十四頁(yè)，共110頁(yè)。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(zhǎng)得多；反向恢復(fù)過程反向?qū)ㄙA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)娏鏖_態(tài)關(guān)態(tài)輸出輸入stockpilefall第九十五頁(yè)，共110頁(yè)。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；第九十六頁(yè)，共110頁(yè)。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第九十七頁(yè)，共110頁(yè)。反向恢復(fù)過程中的載流子濃度的變化①變到④這段時(shí)間就是貯存時(shí)間

ts

⑤變到⑥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(zhǎng)。第九十八頁(yè)，共110頁(yè)。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(zhǎng)度從結(jié)構(gòu)來(lái)考慮降低少數(shù)載流子的壽命第九十九頁(yè)，共110頁(yè)。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(duì)突變結(jié)，trr=0.9τ；對(duì)緩變結(jié)，trr=0.5τ

第一百頁(yè)，共110頁(yè)。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(shì)壘

(阻擋層)，和PN結(jié)類似，有整流作用。

——肖特基接觸(勢(shì)壘)；