11半导体基础知识 称为正向特性,u<0的部分称为反向特性。 当反向电压超过一定数值U后,反向电流急剧增加,称之为反向击穿。 击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂的情况下,因耗尽层 宽度很小,不大的反向电压就可在耗尽层形 成很强的电场,而直接破坏共价键,使价电子 脱离共价键束缚,产生电子一空穴对,致使电 流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿,可见齐 纳击穿电压较低。如果掺杂浓度较低,耗尽 层宽度较宽,那么低反向电压下不会产生齐 纳击穿。当反向电压增加到较大数值时,耗 尽层的电场使少子加快漂移速度,从而与共 价键中的价电子相碰擅,把价电子撞出共价 键,产生电子-空穴对。新产生的电子与空图1.1.10FN结的伏安特性 穴被电场加速后又撞出其它价电子,载流子雪崩式地倍增,致使电流急剧增加 这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿,若对其电流不加限制都可能造成PN 结的永久性损坏。 五、PN结的电容效应 在一定条件,PN结具有电容效应,根据产生原因不同分为势垒电容和扩散 电容。 1.势垒电容 当N结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将随之变化,即耗尽层的电荷 量随外加电压而增多或减少,这种现象与电容器的充、放电过程相同,如图 1.1.11(a)所示。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。Cb具有非 线性,它与结面积耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。对于一个 制作好的PN结,Cb与外加电压a的关系如图(b)所示。当PN结加反向电压 时,Cb明显随u的变化而变化,因此,可以利用这一特性制成各种变容二极管。 2.扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子常称为平街少子。PN结处于正向偏置时,从 P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。 当外加正向电压一定时,靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高,而远离 交界面的地方浓度低,且浓度自高到低还渐衰减,直到零,形成一定的浓度梯度 (即浓度差),从而形成扩散电流。当外加正向电压增大时,非平衡少子的浓度增 大且浓度梯度也增大,从外部看正向电流(即扩散电流)增大。当外加正向电压 减小时,与上述变化相反
第一章常用半导体器件 L+△L Ch P Q△ 耗尽层 U+AU 图1.1.11PN结的势垒电容 (a)耗尽层的电荷随外加电压变化(b)势垒电容和外加电压的关系 图1.1.12所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。 各曲线与np=npo所对应的水平线之间的 面积代表了非平衡少子在扩散区域的数目。 耗 当外加电压增大时,曲线由①变为②,非平「N区尽 层 衡少子数目增多;当外加电压减小时,曲线 由①变为③,非平衡少子数目减少。扩散区 内,电荷的积累和释放过程与电容器充、放 电过程相同,这种电容效应称为扩散电客 Cd与Cb一样,Ca也具有非线性,它与流 ① 过PN结的正向电流i、温度的电压当量 Ur以及非平衡少子的寿命r有关。i越 大、τ越大、Ur越小,C就越大。 由此可见,N结的结电容C是Cb与图1,1.12P区少子浓度分布曲线 Cd之和,即 C+ C (1.1.15) 由于Cb与C4一般都很小(结面积小的为1pF左右,结面积大的为几十至 几百皮法),对于低频信号呈现出很大的容抗,其作用可忽略不计,因而只有在信 号频率较高时才考虑结电容的作用
12半导体二极管 13 1.2半导体二极管 将FN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,简称二 极管。由P区引出的电极为阳极,由N区引出的电极为阴极,常见的外形如图 1.2.1所示。 - 图1.2.1二极管的几种外形 本节将介绍二极管的结构、特性、主要参数及特殊二极管的功能。 12.1半导体二极管的几种常见结构 二极誉的几种常见结构如图1.22(a)~(c)所示,符号如图(d所示。 阳极引线 金属丝N型片 铝合金小球 PN结 N型硅 金锑合金 阳极引魏 阴极引线 底座 外亮 (a) 阳极引线 SO2保护层 P型硅 阳极 阴极 N型硅 阴极引线 图1.2.2二极售的几种常见结构 (a)点接触型(b)面接触型 (c)平面型 (d)二极管的符号 图(a所示的点接触型二极管,由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相 接,形成FN结。因而结面积小,不能通过较大的电流,但其结电容较小,一般在
J4 第一章常用半导体器件 1pF以下,工作频率可达100MHz以上,因此适用于高频电路和小功率整流 图(b)所示的面接触型二极管是采用合金法工艺制成的。结面积大,能够流 过较大的电流,但其结电容大,因而只能在较低频率下工作,一般仅作为整流管。 图(c)所示的平面型二极管是采用扩散法制成的。结面积较大的可用于大 功率整流结面积小的可作为脉冲数字电路中的开关管。 1.2.2二极管的伏安特性 、二极管和PN结伏安特性的区别 与N结一样,二极管具有单向导电性。但是,由于二极管存在半导体体电 阻和引线电阻,所以当外加正向电压时,在电流相同的情况下,二极管的端电压 大于PN结上的压降;或者说在外加正向电压相同的情况下,二极管的正向电 流要小于PN结的电流;在大电流情况下,这种影响更为明显。另外,由于二极 管表面漏电流的存在,使外加反向电压时的反向电流增大。 在近似分析时,仍然用N结的电流方 80°C20°C 程式(1.1.3)来描述二极管的伏安特性。 实测二极管的伏安特性时发现,只有 在正向电压足够大时,正向电流才从零随 端电压按指数规律增大。使二极管开始导Um, 通的临界电压称为开启电压Un,如图 1.2.3所示。当二极管所加反向电压的数 值足够大时,反向电流为Is。反向电压太 大将使二极管击穿,不同型号二极管的击 图123二极管的伏安特性 穿电压差别很大,从几十伏到几千伏 表121列出两种材料小功率二极管开启电压、正向导通电压范围、反向饱 和电流的数量级。由于硅材料PN结平衡时耗尽层电势Uh比锗材料的大,使 得硅材料的Um比锗材料的大。 裹121两种材料二极管比较 材料 开启电压UV 导通电压U 向饱和电流 ispa ≈0.5 0.6~0.8 <0.I 锗(Ge) ≈0.1 0. 3 几十 温度对二极管伏安特性的影响 在环境温度升高时,二极管的正向特性曲线将左移反向特性曲线下移(如图
1.2半导体二极管 15 1.23虚线所示)。在室温附近,温度每升高1℃,正向压降减小2~2.5mV;温度 每升高10℃,反向电流约增大一倍。可见,二极管的特性对温度很敏感。 .2.3二极管的主要参数 为描述二极管的性能,常引用以下几个主要参数 (1)最大整流电流Ir:F是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电 流,其值与PN结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下,二极管正向 平均电流若超过此值,则将因结温升过高而烧坏。 (2)最高反向工作电压U:Ug是二极管工作时允许外加的最大反向电 压,超过此值时,二极管有可能因反向击穿而损坏。通常UR为击穿电压U(p 的一半 (3)反向电流I:I是二极管未击穿时的反向电流。I愈小,二极管的单 向导电性愈好,I对温度非常敏感。 (4)最高工作频率∫M:∫M是二极管工作的上限频率。超过此值时,由于结 电容的作用,二极管将不能很好地体现单向导电性。 应当指出,由于制造工艺所限,半导作器件参数具有分散性,同一型号管子 的参数值会有相当大的差距,因而手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或 范围。此外,使用时应特别注意手册上每个参数的测试条件,当使用条件与测试 条件不同时,参数也会发生变化。 在实际应用中,应根据管子所用场合,按其承受的最高反向电压、最大正向 平均电流、工作频率、环境温度等条件,选择满足要求的二极管。 1.2.4二极管的等效电路 二极管的伏安特性具有非线性,这给二极管应用电路的分析带来一定的困 难。为了便于分析,常在一定的条件下,用线性元件所构成的电路来近似模拟二 极管的特性,并用之取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二 极管的等效电路也称为二极管的等效模型。一种等效电路是建立在器件物理 原理基础上的,其电路参数与物理机理密切相关,参数适用范围大,因此模型较 为复杂,参数的测量与计算也比较复杂,适用于计算机辅助分析;另一种等效电 路是根据器件外特性而构造的,因而模型较为简单,适用于近似分析。根据二极 管的伏安特性可以构造多种等效电路,对于不同的应用场合、不同的分析要求 (特别是误差要求),应选用其中一种