1、P-N 結結P-N junction2.1 平衡平衡PN結結2.1.1 PN結的制造工藝和雜質分布2.1.2 平衡PN結的空間電荷區和能帶圖能帶圖2.1.3 平衡PN結的載流子濃度分布2.2 PN結的直流特性結的直流特性2.2.1 PN結的正向特性正向特性2.2.2 PN結的反向特性反向特性2.2.3 PN結的伏安特性2.2.4 影響PN結伏安特性的因素2.3 PN結空間電荷區的電場和寬度結空間電荷區的電場和寬度2.3.1 突變結空間電荷區的電場和寬度2.3.2 緩變結空間電荷區的電場和寬度2.4 PN結的擊穿特性結的擊穿特性2.4.1 擊穿機理2.4.2 雪崩擊穿雪崩擊穿電壓2.4.3 影響

2、雪崩擊穿電壓的因素2.5 PN結的電容效應結的電容效應2.5.1 PN結的勢壘電容勢壘電容2.5.2 PN結的擴散電容擴散電容2.6 PN結的開關特性結的開關特性2.6.1 PN結的開關作用2.6.2 PN結的反向恢復時間反向恢復時間2.6.3 提高PN結開關速度的途徑2.7 金屬金屬 半導體的整流接觸和歐姆接觸半導體的整流接觸和歐姆接觸2.7.1 金屬半導體接觸的表面勢壘表面勢壘2.7.2 金屬半導體接觸的整流效應與肖特基二極管2.7.3 歐姆接觸歐姆接觸2.1 平衡平衡 PN 結結 在P型半導體型半導體與N型半導體型半導體的緊密接觸交界處，會形成一個具有特殊電學性能特殊電學性能過渡區域；

3、平衡PN結就是指沒有外加電壓電壓、光照光照和輻射輻射等 的PN結。 結面基體襯底（外延層）2.1.1 PN結的雜質分布狀態結的雜質分布狀態合金法 擴散法(主流) 離子注入法 突變結突變結 緩變結 1016/cm31019/cm3結深與突變結相似 2.1.2 平衡平衡PN結的空間電荷區和能帶圖結的空間電荷區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接觸前 相互接觸時，在交界面處存在著電子和空穴的濃度差，各區中的多子多子發生擴散，并復合復合、消耗消耗；1、空間電荷區的形成、空間電荷區的形成空穴電子P區(a)N 區(b)PN耗盡層空間電荷區擴散運動方向自建場交界區域就形成了空間電荷區空間

4、電荷區（也叫空間電荷層空間電荷層、耗盡層耗盡層） 空間電荷區中，形成一個自建電場自建電場 電子空穴PN結=空間電荷區=耗盡層=內電場=電阻以帶負電的電子為例： 漂移運動 電場力 少子擴散運動 濃度差 多子動態平衡動態平衡兩個相反的運動大小相等、方向相反；思考思考：自建電場對各區中的少子發生什么影響？電子空穴由于耗盡層的存在，PN結的電阻很大。？2、能帶狀態圖、能帶狀態圖沒有外加電壓，費米能級應處處相等；即 ：兩個區的費米能級拉平 。 各自獨立時接觸時 電場 電場方向是電勢降落的方向； 定義電勢能： eqUqE 平衡后能帶圖是按電子能量的高低畫 P區電子的電勢能比N區的高 PN結接觸電勢差 在空

5、間電荷區內，能帶發生彎曲，電子從勢能低的N區向勢能高的P區運動時，必須克服這個勢能勢能“高坡高坡” PN結勢壘 勢能坡壘 空間電荷區 UeE3、PN結結 接觸電勢差接觸電勢差 For n-type regionFor n-type region0expexpcFnFniciDEEEEnNnNkTkTFor p-type regionFor p-type region0expexpFpviFpviAEEEEpNnNkTkTlnDFniiNEEKTnlnAiFpiNEEKTn即有即有 2lnDADikTN NUqn式中ND、NA分別代表N區和P區的凈雜質濃度凈雜質濃度； UD和PN結兩側的摻雜濃度

6、、溫度、材料的禁帶寬度（體現在材料的本征載流子濃度 ni 上）有關。在一定溫度下，N區和P區的凈雜質濃度越大，即N區和P區的電阻率越低，接觸電勢差UD越大；禁帶寬度越大，ni 越小， UD也越大。DUDU室溫下，硅的= 0.70 V，鍺的= 0.32 V NA=1017/cm3ND=1015/cm32.1.3 平衡平衡PN結及兩側的載流子濃度分布結及兩側的載流子濃度分布空間電荷區 少子 少子 多子 多子 擴散區分布按指數規律變化 耗盡區或耗盡層空間電荷區的載流子已基本被耗盡； n:電子 p:空穴 Depletion layer空間電荷區為高阻區，因為缺少載流子;自建電場2.2 PN結的非平衡雙

7、向直流特性結的非平衡雙向直流特性PN結非平衡狀態在PN結上施加偏置(Bias)電壓 ；PN結的P區接電源正極區接電源正極為正向偏置(稱正偏 forward biased)，否則 為反向偏置(稱反偏 reverse biased)，并假設： P型區和N型區寬度遠大于少子擴散長度； P型區和N型區電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢壘區，勢壘區外沒有電場； 空間電荷區寬度遠小于少子擴散長度，空間電荷區不存在載流子的產生與復合； 不考慮表面的影響，且載流子在PN結中做一維運動； 假設為小注入，即注入的非平衡少子濃度遠小于多子濃度。 Low-level injection2.2.1 PN結的正向偏置特性

8、結的正向偏置特性 1、正偏能帶變化圖、正偏能帶變化圖 E非平衡 平衡時 外加電場 勢壘寬度變窄 電場被削弱 勢壘高度降低 正偏使勢壘區電場削弱，破壞了原來的動態平衡動態平衡，載流子的擴散作用超過超過漂移作用，所以有凈擴散電流流過PN結，構成PN結的正向電流正向電流。 EEE/E2、外加多子正向注入效應、外加多子正向注入效應 非平衡不同區的少子濃度分布少子濃度分布 比較：平衡PN結 注入之后都成為所在區域的非平衡少子。它們主要以擴散方式運動，即在邊界附近積累形成濃度梯度，并向體內擴散，同時進行復合復合，最終形成一個穩態分布。 e e擴散長度 電子 空穴 p兩邊的多子易通過勢壘區電阻很小空穴電子3

9、、正向擴散區邊界少子濃度和分、正向擴散區邊界少子濃度和分布布空穴擴散區 電子擴散區 平衡被破壞，在擴散區和勢壘區，電子和空穴沒有統一的費米能級，這時只能用準費米能級準費米能級表示 。 勢壘區 0eqUkTPPn Xn0eqUkTNNp Xp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規律指數規律衰減 。準費米能級邊界4、正向電流轉換和傳輸、正向電流轉換和傳輸 e比較：平衡PN結 漂移 擴散 復合 擴散區中的少子擴散電流都通過復合轉換為多子漂移電流。PN結內任意截面的電流是連續的。 Forward-active regime正向注入5、PN結的正向電流結的正向電流-電壓關系電壓關系 (

10、)()()NNPNnPpNIXXXXIXIX處的電子漂移電流處的空穴擴散電流 = 處的電子擴散電流處的空穴擴散電流 =PN結內各處的電流是連續的，則通過PN結的任意截面電流都一樣。因此只要求出空間電荷區的交界面 處的電子電流和空穴電流，就是總的PN結電流：NXN區非平衡少子-空穴的分布函數為：( )(0)epxLp xp 空穴擴散電流密度為：( )( )(0)epxpLpppqDp xjxqDpdxL (0)()(0)pppNpqDjjXpL 其中，負號表示載流子從濃度高的地方向濃度低的地方擴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：0 x NXx:pNIX則0()(

11、0)(1)ppNPNpqUpKTNpppDIXAjXqA pLDAqpeLDL =其中：空穴擴散系數 空穴擴散長度同理，把注入P區邊界 的非平衡電子的濃度 ，乘以電子的擴散速度 、電量 和PN結的截面積 ,便可以得到在 處注入 區的電子擴散電流 ：qPX0(1)qUKTpne0(1)qUnKTnPpnnnDIXAqneLDL 其中：電子擴散系數 電子擴散長度nnDLAPXppNIX()nPpNIXIXPN將和相加，得到結的總電流：00(1)qUpnNpKTnpn DpDIAqeLL000pnNpnpn DpDAqILL若假設0(1)qUKTIIe2200000pnNppininpPnNpApD

12、NOnnnPPPn DpDDnDnAqAqLLPLnLNPNnLDLD因為且，220piniAnDpLnLnIAqNN因此，nppN其中： 區非平衡電子壽命 區非平衡空穴壽命正向電流正向電流-電壓關系電壓關系 220piniAnDpLnLnIAqNN0(e1)qUkTIII0 是不隨外加正偏壓而變化的。 在常溫（300 K）下，可近似為0eqUkTII即: 正向電流隨外加正偏壓的增加按指數規律快速增大按指數規律快速增大 重要特性 0eegqUkTqUEkTpnCVpDnAIIqDqDANNL NL N2.2.2 PN結的反向特性結的反向特性 1、反向抽取作用、反向抽取作用反向PN結空間電荷區具

13、有“抽取抽取”少子的作用；電場加強 寬度變寬 平衡 非平衡 e e擴散 擴散 電場反向抽取 勢壘加高E/E注入少子 多子 比較：平衡PN結 多子被阻擋無大電流少子做貢獻微電流作用電阻很大2、反向邊界少子濃度和分布、反向邊界少子濃度和分布 20()eqUkTNNp Xp0()eqUkTPPn Xn平衡PN結 由于反向抽取，邊界處少子濃度低于平衡值 。 電場加強擴散長度少子少子平衡值反向偏置時，漂移大于擴散少子平衡值少子邊界邊界邊界邊界負指數變化PN 0() 0() 0qUKTNPKTUqKTUeqP Xn X由 于 反 向 結 外 加 反 向 偏 壓 的 數 值 一 般 比大 很 多 ， 即 有

14、， 因 此 ， 所 以 邊 界 處 的 少 子 濃 度 為 ： 反向電流的轉換和傳輸反向電流的轉換和傳輸 本質 e空穴電流空穴電流 電子電流 漂移 掃過 擴散 反向電流實質上是在結附近所產生的少子構成的電流。一般情況下，少子濃度都很小，因而反向電流也很小。 Reverse regime少子少子邊界電子電流 空穴電流空穴電流 多子被阻擋邊界IR2反向飽和電流反向飽和電流 0I0(e1)TU URII 反向電壓U 和流過PN結的反向電流 IR 之間的關系為 為反向飽和電流反向飽和電流， TUkT q隨著反向電壓U的增大，IR 將趨于一個恒定值 -I0 因 少子濃度與本征載流子濃度成正比，并且隨溫度

15、升高而快速增大。所以，反向擴散電流對溫度十分敏感，隨溫度升高而快速增大。在300 K時，UT26 mV 這時 PN結處于截止截止狀態, 呈現的電阻稱為反向電阻, 其阻阻值很大值很大, 高達幾百千歐以上。令2.2.3 PN結的正、反向結的正、反向V-A特性特性 將PN結的正向特性和反向特性組合起來 正向電流很小 導通電壓導通電壓UTH（稱門檻電壓）正向電流達到某一明顯數值時 所需外加的正向電壓正常工作區的邊界；急劇增大 室溫時，鍺PN結的導通電壓約為0.25 V，硅PN結為0.5 V。 Eg /q 反向飽和電流 圖有問題！單向導電性單向導電性 正向電壓正向導通；正向注入使邊界少數載流子濃度增加很

16、大 ，成指數規律指數規律增加，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載流子濃度減少，很快趨向于零，電壓增加時電流趨于“飽和飽和” ； IUR正向電阻小 反向電阻大 leakage正向導通，多數載流子擴散電流；反向截止，少數載流子漂移電流；2.2.4 影響影響PN結伏安特性的因素結伏安特性的因素( (簡述簡述)V-A特性的偏離原因 引起與實驗結果偏離的主要原因有： 1. 正向PN結空間電荷區復合電流；2. 反向PN結空間電荷區的產生電流；3PN結表面復合和產生電流； 4. 串聯電阻的影響；5. 大注入的影響； 大注入(High-level injection)注入的

17、非平衡少子濃度 大于平衡時多子的濃度；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(本征激發)1. 正向PN結空間電荷區復合電流；正偏時，由于空間電荷區內有非平衡載流子的注入，載流子濃度高于平衡值;濃度相差很大復合影響不顯著濃度相差很大復合影響不顯著電子和空穴濃度基本相等復合影響顯著復合地點不同 通過空間電荷區復合中心的復合相對較強 2. 反向PN結空間電荷區的產生電流；反偏時，由于空間電荷區對載流子的抽取作用，空間電荷區內載流子濃度低于平衡值，故產生率大于復合率; 產生出來的電子空穴對 產生電流是反向擴散電流之外的一個附加的反向電流; 空間電荷區寬度隨著反向

18、偏壓的增大而展寬，電荷區的數目增多，產生電流是隨反向偏壓增大而增大。 3PN結表面復合和產生電流； PN結的空間電荷區被延展、擴大； 表面空間電荷區的寬度隨反向偏壓的增加而加大，跟PN結本身的空間電荷區寬度的變化大體相似。 (1) 表面電荷引起表面空間電荷區表面電荷引起表面空間電荷區 表面空間電荷區的復合中心將引起附加的正向復合電流和表面空間電荷區的復合中心將引起附加的正向復合電流和反響的產生電流，表面空間電荷越大，引起的附加的電流反響的產生電流，表面空間電荷越大，引起的附加的電流也就越大。也就越大。界面態的復合和產生作用，也同樣由于表面空間電荷界面態的復合和產生作用，也同樣由于表面空間電荷區

19、而得到加強，它們對區而得到加強，它們對PN結也將引進附加的復合和產結也將引進附加的復合和產生電流。生電流。 (2) 硅硅 二氧化硅交界面的界面態二氧化硅交界面的界面態 表面溝道電流表面溝道電流 表面漏導電流表面漏導電流 襯底 正電荷較多 形成N型反型層 PN結面積增大，因而反向電流增大。 表面玷污 引起表面漏電 也將產生反向電流增加 ?反偏4. 串聯電阻的影響串聯電阻的影響PN結的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻）RS RS結上電壓降 jSUUIR襯底 當電流足夠大時，外加電壓的增加主要降落在串聯電阻上，電流電壓特性近似線性關系。 解決辦法減小體電阻 0(e1)jTU UII5. 大注入的影

20、響大注入的影響PN+E正向大電流; 注入P區的非平衡少子電子將產生積累; 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，使空穴產生擴散，一旦空穴離開，P區的電中性被打破，在P區必然建立起一個電場E，阻止空穴的擴散以維持電中性，該電場為大注入自建電場大注入自建電場。該電場的方向是阻止空穴擴散，但有助于加速電子的擴散。 修正的正向電流：2(2)eqUnikTnAqDnILP相比小注入，相比小注入， 大注入的特點大注入的特點1、大注入時，空穴的電流密度與、大注入時，空穴的電流密度與P區雜質的濃度區雜質的濃度 無關無關 原因：電中性的條件導致空穴的濃度等于少子電子的原因：電中性的條

21、件導致空穴的濃度等于少子電子的濃度，出現了空穴的積累。濃度，出現了空穴的積累。2、大注入時，少子電子的擴散系數增加一倍、大注入時，少子電子的擴散系數增加一倍 原因：原因： P區產生自建電場，使少子電子擴散的同時，區產生自建電場，使少子電子擴散的同時，產生漂移產生漂移3、小注入時，電流為、小注入時，電流為 ；大注入時，電流為；大注入時，電流為 原因：電流增大后，電壓不完全降落在空間電荷區域，原因：電流增大后，電壓不完全降落在空間電荷區域，有一部分降落在有一部分降落在P區區AN/qU KTIe/2qUKTIe6. 溫度的影響溫度的影響隨溫度變化的程度，起決定作用的要算 ni I02in3egEkT

22、T隨著溫度的升高，PN結正、反向電流都會迅速增大。 在室溫附近，鍺PN結，溫度每增加 10，I0 增加一倍； 溫度每增加 1，正向導通電壓下降 2mV； 硅PN結，溫度每增加 6， I0 增加一倍; 溫度每增加 1，正向導通電壓下降 1mV 。 2.3 PN結空間電荷區的電場和寬度結空間電荷區的電場和寬度 采用“耗盡層”近似: 電子空穴 空間電荷區不存在自由載流子，只存在電離施主電離施主和電離受主電離受主的固定電荷； 空間電荷區邊界是突變的，邊界以外的中性區電離施主和受主的固定電荷突然下降為零。 2.3.1 突變結空間電荷區的突變結空間電荷區的電場電場和寬度和寬度NAPDXNXN平衡時空間電荷

23、區的寬度: Xm = XP + XN 寬度與它們的雜質濃度成反比; 非對稱空間電荷區凈施主濃度 凈受主濃度 結PN電場強度（等于通過單位橫截面積的電力線數目）在空間電荷區內各處是不相同的; 平衡時最大場強為 0APMSqN XE 半導體的電容率 空間電荷區交界面 邊界 邊界 交界面上真空中每庫侖電荷發出的電力線數目為：01000()()()( )(1)(0)PAPAsAPMPsPxpxXN q Xx AxN q XPx AxN q Xx AxE xExXX 若設交界面處，則在 區側從 到的體積中，負電荷的總量為：，那么在 處的電力線數目為： 那么 處的電場為： 在P區00()()()( )(1

24、)(0)NDNDNsDNMPsNXxN q Xx AxN q Xx AxN q Xx AxE xExXX 對于N區側，在空間電荷區到 的體積中，總的正電荷的總量為：，那么在 處的電力線數目為： 那么 處的電場為： 在N區突變結電場分布 場強最大 場強為零 場強為零 直線的斜率正比于摻雜濃度ss單邊突變結若P區和N區的摻雜濃度相差很大；如PN+結，N區摻雜濃度遠遠大于P區;空間電荷區主要在P區一側;電場分布+mNPPXXXX寬度主要由低摻雜區N0決定。低摻雜P區12002()SDmUUXN q 對于PN+結，N0=NA對于P+N結，N0=NDN0平衡時非平衡時XN2.3.1 突變結空間電荷區的電

25、場和突變結空間電荷區的電場和寬度寬度以 單邊突變結突變結為例子，空間電荷的寬度為：Xm = XP + XN = XP +PNTUdxEUN區與P區的電位差： 數值等于曲線下的三角形面積面積02011221212TMMMPAPMSAPSXXUE XE XqNXqN =12002()SDmUUXN q “+”對應于加反向偏壓“ ”對應于加正向偏壓 非平衡時平衡時12002()SDmUUXN q TDUUTDUUU突變結空間電荷區 UT = UDU 12002()SDmUUXN q Rewrite外加偏壓0ADADN NNNN2.3.2 緩變結空間電荷區的電場和寬度緩變結空間電荷區的電場和寬度 用擴

26、散法制造的PN結稱為緩變結主流工藝 PN結結面襯底氧化層擴散深度原材料均勻濃度 結面 結深 表面 外加反向電壓較小可近似看做線性緩變結線性緩變結 反向偏壓較大可看做單邊突變結單邊突變結 晶體管一般結深較淺、表面濃度較高單邊突變結 Xj 約10-4cm外加反偏電壓的有效作用1 1、線性緩變結的電場、線性緩變結的電場XP + XN = Xm /2與半邊突變結不同的是，正負空間電荷的寬度相等，有( )( )( )( )( )jDAjxxdxdQAqN x dxAqa xdxN xNxNxN xax當坐標從 變為時，空間電荷的電荷總量為： 式中， ( )( )jososxxdxqa xdxdQ xdE

27、 xA 當坐標從 變為時，電場的增量為： = 對空間電荷區積分，電場強度為：對空間電荷區積分，電場強度為：2222( )( )()2( )028( )28jjososmjmosjjmososqaqaxE xdE x dxxdxcxxE xqa Xcx qaqa XE x 當時，可得： 表面濃度很低、結深很深的擴散結，可看做線性緩變結； 線性緩變結的空間電荷區和電場分布 XNXP12mX208jmMSqa XE ( )jN xax雜質濃度梯度，是一常數 電場分布呈拋物線 1130312()SmDjXUUqa 對稱結線性緩變結非線性外加電壓NDNA問：問：如何計算？ 是何意義？2 2、線性緩變結的

28、電位和空間電荷區域的寬度、線性緩變結的電位和空間電荷區域的寬度2223( )( )()28680( )00jjmososjjmososx qaqa XU xE x dxdxqaqa XxcxU xc 當時，得333()()2224812jmjmmmDososjmosqa Xqa XXXUUUUqa X 1130312()SmDjXUUqa 2.4 PN結的反向擊穿特性結的反向擊穿特性 正向 反向 反向飽和電流 反向電流驟然變大 UB 發生擊穿時的反向偏壓稱為PN結的擊穿電壓 略有增長 0BRIURPN結導通 擊穿機理目前提出了三種 反向擊穿死區擊穿并不意味著PN結 燒壞燒壞 !UB手冊上給出的

29、最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半雪崩擊穿雪崩擊穿(Avalanche Breakdown)高能擊穿，可逆強電場大動能碰撞產生如此繼續下去，同雪崩現象一樣 ；鍺、硅晶體管的擊穿絕大多數是雪崩擊穿雪崩擊穿。 硅PN結，擊穿電壓大于6 V的是雪崩擊穿； 常見：半導體的摻雜濃度低摻雜濃度低；隧道擊穿隧道擊穿(Zener breakdown)（齊納擊穿（齊納擊穿或場致擊穿）場致擊穿） 量子貫穿，可逆勢壘區水平距離d 變窄，發生量子隧道效應； 硅PN結，擊穿電壓小于4 V的是隧道擊穿； 當PN結兩邊摻入高濃度摻入高濃度的雜質時, 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

30、結內就可形成很強的電場(可達2106 V/cm), 將共價鍵的價電子直接拉出來, 產生電子-空穴對, 使反向電流急劇增加, 出現擊穿現象。隧道貫穿變窄強電場產生原因：熱電擊穿熱電擊穿高熱擊穿，不可逆反向電流大熱損耗 結溫上升 PN結燒毀 禁帶寬度小的半導體材料所制成的PN 結（如鍺PN結），其反向電流大，容易發生熱擊穿； PN結正常使用的溫度要小于允許的最高結溫:硅管150200oC鍺管75100oCQ = I 2 R t問：問：為什么高熱會使空間電荷區失效？（焦耳熱）2.4.2 雪崩擊穿電壓的估算雪崩擊穿電壓的估算 1、擊穿條件的描述、擊穿條件的描述 有效電離率有效電離率表示一個載流子在電場

31、作用下，漂移單位距離單位距離時，碰撞電離產生的電子空穴對數。 鍺PN結 硅PN結 3476.25 10effE3678.45 10effE有效電離率主要集中在電場強度最大處附近； 一個載流子通過勢壘區時，由碰撞電離所產生的電子空穴對數為 0dmXeffx勢壘區擊穿條件為擊穿條件為 0d1mXeffx由實驗得，倍增因子M 隨外加偏壓U的變化規律為 11nBMUU數值 n 根據半導體材料低摻雜濃度一側的導電類型而定。雪崩倍增因子雪崩倍增因子電流倍增的程度 。0011dmXeffIMIx雪崩擊穿不僅與電場強度有關，還與空間電荷區寬度有關。 M 反向飽和電流 反向電流U, M一般 n = 72、單邊突

32、變結的雪崩擊穿電壓、單邊突變結的雪崩擊穿電壓070d1 E d1mmXeffXixcx擊穿的條件： 即有 （1）擊穿的臨界電場強度）擊穿的臨界電場強度+000PN ()( )()APAmsssAN q XxN qE xXxdxdEqN 對于結 1/80(0)()08mAmmosmAmBosixxXqNEEXE XqNEc 當在邊界和處 的邊界條件為： 臨界雪崩擊穿電壓為： （2）雪崩擊穿的電壓）雪崩擊穿的電壓01201200PN2()2()ASmPDAAAMmDSNNXXUUqNqNqNEXUU 對于（=），有 最大電場強度為： 201/83/41/43/4028182DDSBmBAAmBos

33、iSBiUUUEqNqNEcUNqc 在外界反向電壓比大得多，可以忽略不計： 把代入得 單邊突變結雪崩擊穿電壓 3 23 4016601.110gBENU低摻雜濃度雪崩擊穿電壓3、線性緩變結的雪崩擊穿電壓、線性緩變結的雪崩擊穿電壓 07720222d1 E2 E d1( )2822mmXeffe ffiXijjmososjmMosxxxccxqa xqa XE xqaXE 和單邊突變結一樣，線性緩變結的雪崩擊穿電壓為： 做變換，并將代入上式得 2又知 且 1130323001/23/2012()3()22329SmDjjSMDsjDSBmBjXUUqaqaEUUqaUUEqa 而線性緩變結的寬

34、度表達式子為： 得 外加電壓就是擊穿電壓，略去后得到 21152011522010.636246.293jmBjSSBjiqaEcUqac 如單邊突變結類似，線性緩變結的寬度表達式子為： 所以得 最大場強2022jmMSqXE 6 52 520601.13 10gjBEU2.4.3 影響雪崩擊穿電壓的因素影響雪崩擊穿電壓的因素雜質濃度雜質濃度 如果襯底雜質濃度N0高，就容易被擊穿。場強不同 擊穿電壓的因素：雜質的濃度雜質的濃度，外延層厚度外延層厚度、擴散結擴散結結深結深和表面狀態表面狀態。1、雜質濃度對擊穿電壓的影響、雜質濃度對擊穿電壓的影響2、雪崩擊穿電壓與半導體外延層厚度的關系、雪崩擊穿電

35、壓與半導體外延層厚度的關系外延層（低摻雜區）厚度外延層（低摻雜區）厚度 W擊穿電壓由N型區的電阻率決定 外延層較寬W外延層:同型材質的低摻雜區；反向偏壓增大勢壘區擴展結面場強隨著反向偏壓升高而增大 較低的反向偏壓下就會擊穿 外延層較薄外延層較薄勢壘區擴展：穿通效應；難以進入重摻雜區；邊界增加的反向偏壓結面條件：相同的偏壓，條件：相同的偏壓，N區的摻雜濃度相同但厚度不同。區的摻雜濃度相同但厚度不同。jmBXX為防止外延層穿通，外延層的厚度必須大于結深和之和( )E x( )E x( )E xmBWXmBWXBECxxFA3、擴散結結深對擊穿電壓的影響、擴散結結深對擊穿電壓的影響 縱向擴散橫向擴散

36、先發生擊穿 由于碰撞電離率隨電場強度的增加而快速增大，因此他由于碰撞電離率隨電場強度的增加而快速增大，因此他們的擊穿電壓為：們的擊穿電壓為：()()()BBBUUU球柱平面為減小結深對擊穿電壓的影響，可采取的措施：為減小結深對擊穿電壓的影響，可采取的措施：1、深結擴散：增加曲率半徑，減弱電場集中現象，提高 雪崩擊穿電壓；2、磨角法：將電場集中的柱面結和球面結磨去，形成臺 型的PN結；3、采用分壓環4、表面狀態對擊穿電壓的影響、表面狀態對擊穿電壓的影響 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使：+NNP N2.5 PN結的電容效應結的電容效應空間電荷區的電荷量隨著

37、外加偏壓而變化 PN結具有電容效應電容效應 電子空穴Depletion capacitance結具有兩種電容： 勢壘電容勢壘電容和擴散電容擴散電容。 2.5.1 PN結的勢壘電容結的勢壘電容 外加反向偏壓減小結上壓降下降 空間電荷區寬度的減小 空間電荷量減少 反向偏壓增加結上壓降增大 空間電荷區寬度增大空間電荷區電荷量增加 PN結電容只在外加電壓變化時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結勢壘電容勢壘電容(Barrier capacitance)電容效應發生在勢壘區勢壘區。+- -+- -充電放電1、PN結的勢壘電容勢壘電容PN結勢壘電容與平行板電容器很相似，但有

38、區別。 0STmACX 半導體介質的電容率 結面積 PN結電容通直流，空間電荷區寬度可變化， 勢壘電容是偏壓U的函數；通常的電容器隔直流，極板間的距離d是一個常數， 電容量C與電壓U無關；注意區別： A隨外加電壓變化而變化只要有一定面積，并電荷發生變化，就會產生電容效應電容效應；0SACd 2、單邊突變結勢壘電容、單邊突變結勢壘電容 12002()STDqNCAUU 正向偏壓會使勢壘電容增大，反向電壓會使勢壘電容減小。 UT = UDU 0SACd 比較什么含義？反向電壓：+外加電壓電位差3、線性緩變結勢壘電容、線性緩變結勢壘電容 01113032203120/012()12()2()SmDj

39、jSTDSTDSTmXUUqaa qAACAUUqNCAUUCX 已知：因此： 而單邊突變結 上面的公式均在耗盡層下推倒的，當PN結反偏電壓較高時，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，空間電荷區有大量的載流子通過，PN結的勢壘電容將產生較大的誤差，必須進行修正：1/20/10)2 ()1lnSDTADADDqNCANNKTNUUqN (不對稱突變結：不對稱突變結：對稱突變結：對稱突變結：1/20/10)2 ()2/SADTADDADqNNCANNUUKT q NN (1線性緩變結線性緩變結1223012()jSTga qCAUU 032ln38jSgikT qkTUqq

40、n 其中：其中：4、實際擴散結勢壘電容、實際擴散結勢壘電容 擴散結勢壘電容的計算十分復雜，通常采用查表法查表法求得。教材圖2.58是在耗盡層近似下，用電子計算機計算的結果繪出的圖表曲線，適用于余誤差分布和高斯分布。 考慮PN結的勢壘電容之后，在交流情況下，PN結可以看成一個交流電導交流電導（或動態電阻）和一個勢壘電容相并聯的等效電路等效電路。 2.5.2 PN結的擴散電容結的擴散電容(Diffusion capacitance)e e擴散長度 電子 空穴 pPN結的擴散電容擴散區中積累電荷量（非平衡少子 ）也隨著外加電壓而改變； 200()eqUkTDDPDNNpPnAqCCCpLn LkT擴

41、散電容隨正向電壓加大呈指數增加，所以和正向電流成正比。 正向擴散電容空穴擴散區電容電子擴散區電容電子空穴020(e1)eqUkTPNpqUPkTDPNpQAqpLdQAqCpLdUkT空穴擴散區積累的電荷： 020(e1)eqUkTNPnqUNkTDNPnQAqn LdQAqCn LdUkT電子擴散區積累的電荷： 2.6 PN結的二極管開關特性結的二極管開關特性(Diode switching behavior)國家標準(GB)對半導體器件型號的命名：二極管符號：舊符號新符號陽極(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

42、型P 普通管W 穩壓管(zenerdiode)Z 整流管K 開關管U 光電管2CP 2AP 2CZ 2CW例如：發光二極管光電二極管穩壓二極管(后面是廠家編號)2.6.1 PN結的開關作用結的開關作用 正向電阻很小 反向電阻很大 略掉正電阻 看成無窮大 正向反向開關作用 反向飽和 死區1、二極管的開關作用、二極管的開關作用二極管半波整流斬波，但同相2、靜態開關特性、靜態開關特性 靜態處于相對靜止的穩定狀態； 正向正向導通時會有一個正向壓降正向壓降：UD = 0.7 V PN結自身有點阻抗；UD正向壓降 ID死 區IUR Forward voltage drop溫度升高時，二極管的正向壓降將減小

43、，每增加1，正向壓降UD大約減小2mV，即具有負的溫度系數。PN結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。UD1UD20 0.4 0.8 1.2U / V48I / mAA1020BC二極管特性死區電壓I / A(a)50100150UBEDRUIRUI硅二極管2CP-6二極管在反向截止時仍流過一定的反向漏電流 I0 。 硅PN結的反向漏電流很小，只有納安（nA）數量級，數值越小越好。鍺PN結(A)級。PN結的整流特性單向導電性單向導電性，關鍵在于耗盡層的存在；截止時, 一般認為二極管斷開, 反向電阻為無窮大。PN結的單向導電性只有在外加電壓時才表現出來;

44、2.6.2 PN結的開關態反向恢復時間結的開關態反向恢復時間開關過程只考慮關閉過程 從關態轉變到開態所需開啟時間很短， 從開態轉變到關態(U1U2)所需關閉時間卻長得多； 反向恢復過程 反向導通 貯存時間 下降時間 反向恢復時間 rrsfttt反向飽和 反向電流UD正向導通電流開態關態輸出輸入stockpilefall反向恢復過程限制了二極管的開關速度。要保持良好的開關作用，脈沖持續時間不能太短，也就是脈沖的重復頻率不能太高，這就限制了開關速度。 輸入電壓是一連串正負相間的脈沖 T 負脈沖的持續時間T比二極管的反向恢復時間大得多 負脈沖并不能使二極管關斷 反向恢復時間使輸出伴有延遲，決定了工作

45、頻率；T1PN結的電荷貯存效應反向延遲的原因反向恢復過程是由電荷貯存效應電荷貯存效應引起的； 正向偏壓 正向導通時少數載流子積累的現象，叫電荷貯存效應電荷貯存效應; 電流慣性 正向電流越大，貯存電荷量越多，曲線向上越高。 正向導通時在各區的貢獻反向時P區積累的電子極容易通過E反向恢復過程中的載流子濃度的變化 變到這段時間就是貯存時間 ts 2FUIR變到過程所需的時間就是下降時間 tf 在各區的殘留電荷 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， 反向抽取動態變化貯存電荷的貢獻貯存電荷量越多，二極管的反向恢復時間就越長。 2.6.3 提高提高PN結開關速度的途徑結開關速度的途徑 1、減小正向導通時非平衡載流子的貯存量Q 減小正向電流 ID 降低 P區電子的擴散長度 0e