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1、低频电子线路 (3),山东大学 信息科学与工程学院 刘志军,2,回顾上节课,第四章 常用半导体器件原理 4.1半导体物理基础 物质按导电性能分类 半导体三大特性 本征半导体 共价键结构 两种载流子的概念 载流子的产生 杂质半导体 半导体中的电流,3,本节课内容,4.2 PN结 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的击穿特性 PN结的电容特性 PN结的电阻特性 PN结的温度特性,4,4.2 PN结,PN结是通过采用半导体工艺制作，使N型和P型半导体在其结合处（界面）所形成的一种特殊结构（薄层），它具有特殊的物理性质。 PN结是构成半导体器件的核心结构。 PN结是半导体器件的心脏。,5,PN结
2、形成（图示）,6,4.2.1 PN结的形成,PN结形成 的 “三步曲” （1）多数载流子的 扩散运动。 （2）空间电荷区和少数载流子的 漂移运动。 （3）扩散运动与漂移运动的 动态平衡。 -精品课网站有动态演示,7,势垒区的形成（图示）,8,空间电荷区（耗尽层）,PN结建立在在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动，失空穴和电子后形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为 空间电荷区（耗尽层）。 PN结的其它名称 自建电场 势垒区 阻挡层 PN结很窄（几个到几十个 m)。,9,耗尽层的特点,耗尽层的 区域范围大小 与掺杂浓度 有关 对称结（PN） 非对称结（PN+ 或 P+N）,10,非对
3、称PN结,11,势垒区的作用,势垒区 使自由电子和空穴的扩散运动受阻（要爬一个高坡）。,12,自建电场,其中 UT = KT/q ， 热当量电压 当 T = 300K时， UT26mV,13,4.2.2 PN结的单向导电特性,当外加电压时，PN结的结构将发生一些变化（空间电荷区的宽窄变化）。 外加电压施加于PN结的不同方向，其效果是根本不同的。,14,(1) PN结外加正向电压,正向偏置（Positive Biasing) 正确接法：P接电源正，N接电源负 产生效果：外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使 PN结变窄。 扩散运动漂移运动 称为 “正向导通”,15,PN结外加正向电压（图）,1
4、6,(2) PN结外加反向电压,反向偏置(Negative Biasing) 正确接法：P接电源负，N接电源正 产生效果：外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。 扩散运动漂移运动 称为“反向截止”,17,PN结外加反向电压（图）,18,(3) PN结电流方程,流过PN结的电流i与外加电压 u 之间关系为 i= IS（e qu/KT 1) = IS（e u/UT 1) 其中 UT= kT/q IS - 反向饱和电流,19,PN结伏安特性 (Voltampere Characteristic),由上式 i = IS（e u/UT 1） 当u为正时 i IS（e + u /UT ） P
5、N结外加正电压时，流过电流为正电压的e指数关系。 当u为负时 i = IS（e u/UT 1） IS PN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。,20,PN结伏安特性,单向导电性(Unidirectional Conductibility) 正向导通(Positive Conduction) 反向截止(Negative Cut-off),21,PN结伏安特性（图示）,22,4.2.3 PN结电阻特性和电容特性,PN结还存在 两种特性： 电阻特性(Resistance Characteristic) 电容特性(Capacitance Characteristic),23,(1) PN结电阻特性,两
6、种电阻 静态电阻 （直流电阻 DC Resistance ） R = UD/ ID 动态电阻 （交流电阻 AC Resistance ） r = u / i,24,PN结电阻特性(图）,25,PN结电阻特性,可以看出静态电阻和动态电阻均与 静态工作点（Q点）有关。 静态电阻（直流电阻）是工作点斜率的 割线(直线斜率的倒数）。 动态电阻（交流电阻）是工作点斜率的 切线（切线斜率的倒数）。,26,（2）PN结电容特性,PN结 还可呈现 电容效应 有两种电容效应 势垒电容(Barrier Capacitance) 扩散电容(Diffusion Capacitance),27,势垒电容 CT,是PN结
7、 外加反向偏置时，引起 空间电荷区体积的变化（相当电容的极板间距变化和电荷量的变化）引起的电容效应。 CT = dQ/du = CTO /(1 u/UB)n S/d 其中: CTO 为外加电压 u=0 时的CT；n 为变容系数（决定于材料的杂质分布，一般取 1/21/3）; UB为PN结内建电压。为介电常数，S为PN结面积，d为耗尽层宽度。,28,势垒电容CT原理（图）,29,扩散电容 CD,是PN结外加正向偏置时，引起 扩散浓度梯度变化 出现的电容（电荷）效应。,30,扩散电容CD （图）,31,扩散电容CD,CD = Q / u = (Q n/ u) + (Qp/ u) (Q n/ u)
8、(对PN+结） (n i / uT) 其中： n 为P区 非平衡载流子平均寿命。 i 为PN结电流。,32,结电容的量级,CT和 CD 均在 PF量级： CT 一般在几 几十PF（在反偏时考虑）。 CD 一般在几十 几百PF（在正偏时考虑）。 利用结电容可制成 变容二极管。,33,PN结电容和结电阻综合考虑,PN结电容和结电阻是并联关系： 正向时，电阻小，电容效应不明显。 反向时，电阻大，电容效应明显。 故 电容效应主要在反偏时才真正予以考虑。,34,PN结电容和结电阻综合考虑（图）,r,cj,35,4.2.4 PN结击穿特性,当对PN结 外加反向电压超过一定的限度，PN结会从 反向截止 发展
9、到 反向击穿。 反向击穿破坏了PN结的单向导电特性。 利用此原理可以制成 稳压管。,36,PN结击穿特性（图）,37,PN结击穿,PN结击穿有 两种类型 热击穿 电击穿,38,（1）电击穿,电击穿是 可逆的（可以恢复，应有限流电阻）。 电击穿 有 两种机理 可以描述： 雪崩击穿 齐纳击穿,39,雪崩击穿,特点如下： 低掺杂， PN结宽， 正温系数， 常发生于大于7伏电压的击穿时（雪崩效应）。,40,齐纳击穿,特点如下： 高掺杂， PN结窄， 负温系数， 常发生于小于5伏电压的击穿时（隧道效应）。,41,特殊情况,在（ 57）V 击穿发生时，两种击穿机理都有。 温度系数可达到最小。,42,(2)
10、 热击穿,电击穿后如无限流措施，将会发生 热击穿 现象。 热击穿 会破坏PN结结构（烧坏）。 热击穿 是不可逆的！,43,(3) 二次击穿,除以上击穿现象外，还有一种特殊的击穿现象，即 二次击穿。 二次击穿的 特点是管子 不发热。 二次击穿是 不可逆 的！,44,二次击穿曲线（图）,i,v,0,45,4.2.5 PN结的温度特性,PN结特性对温度十分敏感（热敏特性），反映到伏安特性曲线上，是随温度升高，正向特性左移（温度升高1度，结电压约减少(22.5)mV。反向特性下移(温度升高10度，IS增大一倍）。 u / T (22.5)mV/0C IS2 = IS12(T2T1)/10 温度升高到一定度数，PN结将不复存在。 材料温度极限条件： Ge 材料，（75100）0C Si 材料，（150200）0C,46,思考题和练习题,简要说明PN结的形成过程。 解释PN结伏安特性曲线和单向导电性？ PN结电阻有哪些类型？各是如何定义的？和直流偏置有什么关系？ PN结电容有哪些类型？各有何特点？和结电阻是何种关系？什么时候要重点考虑哪一种PN结电容？ PN结击穿有哪几种？各有何特点？电击穿能否恢复正常？ 随温度变化时，PN结的结电压和反向漏电流如何发生变化？,47,下节预习,4.3 晶体二极管及其基本电路 4.4 其它二极管简介,48,本节结束(148),谢谢！,
