常用半導(dǎo)體器件原理2---PN結(jié)PPT課件

1、 1 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理(2)-PN結(jié)結(jié)孫肖子西電絲綢之路云課堂西電絲綢之路云課堂 2 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.2 晶體二極管及其應(yīng)用晶體二極管及其應(yīng)用2.3 晶體三極管原理、特性及參數(shù)晶體三極管原理、特性及參數(shù)2.4 場效應(yīng)場效應(yīng)管原理、特性及參數(shù)管原理、特性及參數(shù)2.5 晶體三極管及場效應(yīng)管低頻小信號模型晶體三極管及場效應(yīng)管低頻小信號模型 3 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2.2PN 結(jié)結(jié)-半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 通過摻雜工藝，一邊

2、做成 P 型半導(dǎo)體，另一邊做成 N 型半導(dǎo)體，則 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體的交接面處會形成一個有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱為 PN 結(jié)。 2.2.1PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 3 4 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)或阻擋層。在摻雜空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)或勢壘區(qū)或阻擋層。在摻雜濃度不對稱的濃度不對稱的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)在重摻雜一邊延伸較小，結(jié)中，耗盡區(qū)在重摻雜一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。而在輕摻雜一邊延伸較大。4 耗盡區(qū) 耗盡區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

3、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P區(qū) N區(qū) P區(qū) N區(qū) 5 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理4.2.2PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?一一、正、正向偏置向偏置(P+,N-)的的 PN 結(jié)結(jié)二二、反、反向偏置向偏置(P-,N+)的的 PN 結(jié)結(jié)5(很大很大)(很小很小) 6 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理PN 結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娞匦裕?PN 結(jié)只需要較小的正向電壓，結(jié)只需要較小的正向電壓，就能就能產(chǎn)生較大的正向擴散電流，產(chǎn)生較

4、大的正向擴散電流， 而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變而且正向電流隨正向電壓的微小變化會發(fā)生明顯改變(指數(shù)特性指數(shù)特性) 而在反偏時，少子只能提供很小而在反偏時，少子只能提供很小很小很小的漂移電流，并且基本上不的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。隨反向電壓而變化。6正偏正偏-導(dǎo)通導(dǎo)通反偏反偏-截止截止 7 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 2.2.3 PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當(dāng)反向電壓超過一定值當(dāng)反向電壓超過一定值UBR后，反向電流會急劇增大，后，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義結(jié)擊穿，并定義UBR為為PN結(jié)的擊穿電壓。結(jié)

5、的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種。結(jié)發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種。 一一. . 雪崩擊穿雪崩擊穿 在輕摻雜的在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時，耗盡區(qū)較結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。外電場使外電場使耗層展寬耗層展寬UBR反向擊穿反向擊穿 8 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理發(fā)生碰撞的連鎖反應(yīng)，發(fā)生碰撞的連鎖反應(yīng)，使載流子劇增。使載流子劇增。雪崩擊穿機理雪崩擊穿機理IR 9 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 二二. . 齊納擊穿齊納擊穿( (場致?lián)舸﹫鲋聯(lián)?/p>

6、穿) ) 在重摻雜的在重摻雜的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強的電場強度。當(dāng)反向電壓大到一定值就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強的電場強度。當(dāng)反向電壓大到一定值時，時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子產(chǎn)生大量電子- -空穴對空穴對，使反向電流急劇增大。，使反向電流急劇增大。 需要指出，只要限制擊穿后的電流，擊穿并不損壞需要指出，只要限制擊穿后的電流，擊穿并不損壞PN結(jié)結(jié)( (可逆性可逆性) )。 一般來說，對硅材料的一般來說，對硅材料的PN結(jié)，結(jié)，UBR 7

7、V時為雪崩擊穿；時為雪崩擊穿； UBR 5V時為齊納擊穿；時為齊納擊穿； UBR介于介于5 7 V時，兩種擊穿都有。時，兩種擊穿都有。 電場強電場強度極大度極大IR 10 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 1. 勢壘電容勢壘電容 從從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)看，在導(dǎo)電性能較好的結(jié)的結(jié)構(gòu)看，在導(dǎo)電性能較好的P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間，區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似，如圖所示。夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似，如圖所示。2-2-4PN結(jié)的電容特性結(jié)的電容特性 PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢壘電容勢壘電容和和擴散電容擴散電容兩部分組成。兩部分組成。 耗盡區(qū)中存

8、貯的電荷量將隨耗盡區(qū)中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應(yīng)，并稱為勢壘電性正是電容效應(yīng)，并稱為勢壘電容，用容，用CT表示。表示。理論分析證明：理論分析證明： dSUuCuQCnB0TT1 11 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理2. 擴散電容擴散電容 正向偏置的正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。結(jié)，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。下面利用下面利用P區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來說明。區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來說明。 P區(qū)少子濃度分布曲線區(qū)少子濃度分布曲線 N區(qū)電子向區(qū)電子向P區(qū)擴散，區(qū)擴散

9、，非平衡非平衡電子電子形成曲線形成曲線的濃度分布。其存的濃度分布。其存貯的電荷量對應(yīng)貯的電荷量對應(yīng)下的面積。下的面積。 當(dāng)偏壓增大時，曲線變?yōu)楫?dāng)偏壓增大時，曲線變?yōu)樗荆姾傻脑黾恿繛樗?，電荷的增加量為Qn 。 反之，反之，偏壓減小時，曲線變?yōu)槠珘簻p小時，曲線變?yōu)樗荆潆姾傻臏p少量為所示，其電荷的減少量為Qn 。TUIuQQuQCpnD 12 第四章第四章 常用半導(dǎo)體器件原理常用半導(dǎo)體器件原理 必須指出必須指出，CT、CD都隨外加電壓的變化而變化，所以勢壘電容和擴都隨外加電壓的變化而變化，所以勢壘電容和擴散電容都是非線性電容。散電容都是非線性電容。 由于由于CT和和CD均等效地并接在均等效地并接在PN結(jié)上，因而結(jié)上，因而PN結(jié)上的總結(jié)上的總電容電容Cj為兩者之和，即為兩者之和，即Cj= CT + CD 。CTCD 因為因為CT和和CD很小，低頻工作時可忽略其影響。但在高很小，低頻工作時可忽略其影響。但在高頻工作時，必須考慮它們引起的不利影響。頻工作時，必須考慮它們引起的不利影響。 正偏時以正偏時以CD為主，為主，Cj CD， 其值通常為其值通常為幾