【文章內容簡介】 為 N型半導體，另一端摻入受主雜質，成為 P型半導體，這兩種雜質半導體緊密的接觸在一起，在接觸處保持晶格的連續(xù)性，在接觸面便形成了一個 PN結。 PN結的勢壘，在室溫下，每一個受主雜質產生一個空穴，同時形成一個負離子；而每一個施主雜質將產生一個自由電子，同時形成+4 +4 +4 價電子 +4 +5 +4 自由電子 +4 +4 +4 +4 4 +4 價電子 空位 +4 +3 +4 受主雜質 +4 +4 +4 6 一個正離子。在 PN結中 P區(qū)空穴密度高于 N區(qū)，空穴將越過交界面由 P區(qū)像 N區(qū)移動（即擴散），空穴由 P區(qū)擴散到 N區(qū)后，便會被復合。同理，電子將越過分界面自 N區(qū)像 P區(qū)擴散，而在 N區(qū)留下不能移動的正離子，電子進入 P區(qū)也很快被復合。這樣，在分界面兩邊，形成正負離子區(qū)，在這個區(qū)域的載流子因擴散和復合而幾乎消耗殆盡（即消耗區(qū)）。分界面兩邊的正負電荷必然存在電場，方向由 N區(qū)指向 P區(qū)。這一電場將阻止空穴和電子擴散，正負電荷存在的區(qū)域即為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)兩側半導體的少子進入勢壘區(qū)時，勢壘區(qū)的電場使這些少子做定向移動，使 P區(qū)的電子進 入 N區(qū)，使 N區(qū)的空穴進入 P區(qū)。這種在電場作用下少子的定向運動稱為漂移。勢壘區(qū)的載流子，存在兩種方向相反的運動，即擴散和漂移。在無外加電壓的情況下，兩種運動所形成的電流大小相等，方向相反， PN結中建立起動態(tài)平衡。 PN結的內建電壓隨溫度升高而減小，通常情況下，溫度升高 10C，內建電壓要減少 。 這里需要指出的是溫度不能太高，如果溫度過高，本征載流子濃度大大增加，當本征載流子濃度超過摻雜濃度時，不管是原來的 P型區(qū)還是 N型區(qū)，都表現(xiàn)出本征半導體的特性，此時 PN結也就不存在了。一般硅 PN結，正常工作時，溫 度要低于 1500C，而鍺 PN結要低于 800C。 2 二極管的特性 正向特性 PN結加正向偏置時，由于外加電壓與 PN結的內建電場方向相反，從而使內建電場消弱，這就打破了原有的平衡狀態(tài)，使 P區(qū)和 N區(qū)的多子向空間電荷區(qū)移動。一旦進入空間電荷區(qū)勢必中和一部分正離子和負離子使空間電荷量減少，空間電荷區(qū)（即耗盡層）寬度變窄（由 W變?yōu)?W’），勢壘電壓也有原來的 U? 變?yōu)?UU?? ， 如圖（ 21）所示。由于勢壘的下降，使擴散得以進行， 于是有較多的電子不斷地從 N區(qū)擴散到 P區(qū)，較多的空穴不斷的從 P區(qū)擴散到 N區(qū)。擴散的載流子越過 PN結結面后，成為非平衡少子，它們在中性區(qū)將邊擴散邊復合，使非平衡少子的濃度不斷降低，直到熱平衡，形成了中性區(qū)非平衡少子的穩(wěn)定分布。 PN結在正向電壓作用下，電子從電源負極源源不斷的進入 N區(qū)，到達勢壘區(qū)的邊界，由于擴散，越過 PN界面進入 P區(qū)并不斷向內擴散，同時與 P區(qū)的空穴復合，因復合減少的空穴靠外界電源的正極不斷提供正電荷而得到補充，空穴的擴散運動同上述過程類似。 電子、空穴不斷連續(xù)的運動便形成了電流，其方向有 P區(qū)指向 N區(qū)。因為它是在 PN結下形成的，所以稱為正向電流，由半導體器件原理可以推出， PN結在正向電壓 U作用 7 下產生的正向電流 I為 SII? () 其中 pn po noSnPqS pDnDI LL???????? () 式中， S 為 PN 結面積 。DN為電子擴散系數(shù)； DP為空穴擴散系數(shù)； LN為電子的平均 擴散長度； LP為空穴的平均擴散長度； NP0為 P區(qū)熱平衡時少子濃度； PN0為 N區(qū)熱平衡時少子濃度。 正向特性是指二極管作用正向電壓的伏安特性曲線，當正向電壓較小時，正向電流幾乎為零，稱為死區(qū)。當正向電壓超過某一數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這個數(shù)值的電壓稱為門檻電壓即死區(qū)電壓，記為 Vth。小功率硅管的 Vth約為 ,小功率鍺管的Vth約為 ，當正向電壓高于門檻電壓后，電流隨電壓基本上按指數(shù)規(guī)律增長，成為二極管的導通區(qū)，當正向電流達到一個較大數(shù)值后，二極管的正向電壓變化很小，處于導通狀態(tài)，對應的電壓成 為導通電壓，記為 Vooonnn。小功率硅管的 Von約為 ， 圖（ 21） PN 結正向偏置時耗盡層的變化 為敘述方便，通常取固定值 ；小功率鍺管的 Von約為 ，為敘述方便，通常取固定值 。 反向特性 當 PN 結的 P 區(qū)引出端接電源的負極， N區(qū)引出端接電源的正極，即 PN結加反向電壓（反向偏置）時，外加電壓產生的電場與 PN 結的內電場方向相同，加強了內電場打破了原有的平衡狀態(tài)，使靠近 PN 結的 P區(qū)空穴向左移，靠近 PN結的 N 區(qū)電子向右移，從而使空間電荷區(qū)加寬，勢壘電壓也由原來的 U?變?yōu)?UU?? ，如圖（ 22）所示。 ?U UU?? W W’ X1 X2 N P+ U — + 8 圖 (22) PN 結反向偏置時耗盡層的變化 由于勢壘的提高，使得多子的擴散運動很難進行，擴散電流為零，但由于內建電場的增加，使 P 區(qū)和 N 區(qū)中的少子漂移運動成為主要的。在強電場作用下， P 區(qū)的少子電子一旦到達空間電荷區(qū)的邊界，就全部被掃向 N區(qū)；同樣 N 區(qū)的少子空穴一旦到達空間電荷區(qū)的邊界也全部被掃向 P 區(qū)。所以， PN 結空間電荷區(qū)的邊緣少子濃度趨于零。 在反向電壓的作用下，越過界面的少子，通過回路形成反向電流，因為少子的濃度很低，所以反向電流很小，可以推得反向電流 Ir與反向電壓的關系為： Ir ?????? ?? ? 1eI UTUS （ ） 隨著反向電壓的增加，反向電流開始少有增加，當反向電壓大于 時，???????eUTU 1，式（ ）可以寫成： Ir ?IS （ ） 方向電流 Ir近似為常數(shù)，不再隨反向電壓變化而變化，稱 IS為方向飽和電流。反向飽和電流 IS與半導體的材料、摻雜濃度及工作溫度有關。一般硅 PN 結的 IS為 10151010A。鍺 PN 結的 IS為 1010107A；砷化鎵 PN 結的 IS為 10171015A。由以上分析可知，PN 結加正向電壓和方向電壓時的伏安特性均可用（ ）式表示。正向電壓時 U 為正值，反向電壓時 U為負值。正向電壓從零開始增大時，正向電流增加較緩慢；當正向電壓增大到一定值時，正向電流按指數(shù)規(guī)律增大，這時 PN結具有良好的導電性，電壓Ur稱為導通電壓。反向電壓從零開始增大時，反向電流隨反向電壓增加而增加，但當反向電壓大于 后，反向電流約等于 Is，不再隨電壓變化。在反向電壓作用下，向U — + ?U +U ?U W’’ W X1 X2 N P+ 9 電流很小， PN結的導電性能極差，可近似認為 PN結不導電，這表明 PN 結具有單向導電性。 在此需要指出的是：上述 PN結的伏安特性是在理想情況下推導出來的，因而具有一定的局限性。在正向電流較小，在反向電壓不大時，實際 PN 結的伏安特性與理想PN 結的伏安特性相近，超出此范圍，就會出現(xiàn)較大的誤差。 二極管的擊穿問題 當 PN 結的外加反向電壓超過某一數(shù)值 UB時，反向電流會突然猛增，而 PN 結兩端的電壓幾乎不變，把這種現(xiàn)象稱為 PN 結的反向擊穿， UB稱為反向擊穿電壓。 PN 結的反向擊穿現(xiàn)象可以分為以下兩種情況。 電擊穿 按 PN 結反向擊穿的機理，電擊穿可分為雪崩擊穿和齊納擊穿。 a 雪崩擊穿 隨著反向電壓的提高，空間電 荷區(qū)內電場增強，通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量液隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓 UB時，這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產生新的電子空穴對。這些新產生的電子和空穴又會在電場的作用下，重新獲得能量，碰撞其他的中性原子使之電離，再產生更多的電子空穴對。這種連鎖反應繼續(xù)下去，使空間電荷區(qū)內的載流子數(shù)量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產生擊穿，所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。 雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低，外加反向電壓又較高的 PN 結中。這是因為摻雜濃度較低的 PN 結，空間電荷區(qū)寬度 較寬，發(fā)生碰撞電離的機會較多。 b 齊納擊穿 齊納擊穿的物理過程與雪崩擊穿不同。當反向電壓增大到一定值時，勢壘區(qū)內就能建立起很強的電場，它能夠直接將束縛在共價鍵中的價電子拉出來，使勢壘區(qū)產生大量的電子空穴對，形成較大的反向電流，產生擊穿。把這種在強電場作用下，使勢壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。齊納擊穿一般發(fā)生在在摻雜濃度較高的 PN結中。這是因為摻雜濃度較高的 PN 結，空間電荷區(qū)的電荷密度很大，寬度較窄，不需要加很大的反向電壓，就能建立起很強的電場，發(fā)生齊納擊穿。 一般來說，擊穿電壓小于 6V 時所發(fā)生 的擊穿為齊納擊穿，擊穿電壓高于 6V 時所發(fā)生的擊穿為雪崩擊穿。 熱擊穿 上述的電擊穿過程是可逆的，也就是說當 PN 結擊穿時，只要 PN 結的反向電流限制在一定的范圍內，使消耗在 PN 結上的功率未超出最大允許值， PN 結未被燒毀，那 10 么反向電壓減小后， PN 結仍可恢復成原來的正常狀態(tài)。但是，如果反向電壓和反向電流過大，使消耗在 PN 結上的功率超出了最大允許值，就將因 PN結結溫過高，導致 PN結被燒毀，我們稱它為熱擊穿。熱擊穿將導致 PN結的永久性損壞，所以在工程上一定要避免出現(xiàn)。常用的方法是限制 PN結上的功耗或通過加散 熱片，強制風等手段，及時地把 PN 結上的熱量散發(fā)出去。 3 溫度的影響 當工作溫度變化時將會使二極管的特性產生一系列的變化，溫度對二極管的影響如圖 (31)所示。下面分別討論一下溫度對二極管正反向特性的影響。 圖 (31)溫度對二極管伏安特性的影響 在晶體管電路中，晶體管的偏置電流一旦確定，那么該電路中晶體管的工作點也就隨之確定， PN 結厚度和它的結電容大小也就隨之確定，不管是線性區(qū)還是飽和區(qū)，它都是固定的，工作點是不會發(fā)生改變的。在一個固定的電路中，影響晶體管工作點的主要因素是晶體管的 PN 結厚度和結電容的大 小的變化，但是隨著溫度的變化，晶體管 PN結厚度和它的結電容大小會隨溫度的變化而變化，因此，總的來說，影響其工作點發(fā)生變化的主要因素是溫度。 溫度對二極管反向特性的影響 當溫度升高時，熱激發(fā)產生的載流子增加，使反向飽和電流 IS增加。理論上 IS隨溫度的變化對硅管而言是 8%/0C，鍺管是 10%/0C，工程上通常無論是硅管還是鍺管，都近似認為是溫度每增加 100C，反向飽和電流 IS增加一倍。即： Is ? ? ? ?2 1012 12 TTTIT S ?? () 11 溫度對二極管正向特性的影響 當外加電壓一定時，雖然 隨著溫度的增加而略有減小，但遠沒有 IS隨溫度增加的程度大，所 以二極管正向電流要增大。若維持電流不變，則隨著溫度的增加，其正向電壓必然要減小。通常溫度每升高一攝氏度，二極管的正向電壓大約減少 。即： ???TU (2~)mV/0C () 通過以上討論可知，溫度的變化影響二極管特性，甚至會影響電路工作的穩(wěn)定性。因此，電路設計時因考慮溫度對二極管特性的影響。 4 應用 眾所周知，半導體材料和器件的許多性能參數(shù)，如電阻率、 PN 結的反向漏電流和正向電壓等，都與溫度有密切的關系。在一般應用電路中，半導體材料和器件性能的這種對溫度的依賴是一種缺陷，因為它會導致電路工作不穩(wěn)定，所以總是盡量設法克服和避免。然而與此相反，半導體溫敏器件正是利用半導體材料和器件的某些性能參數(shù)的溫度依賴性，實現(xiàn)了對溫度的檢測、控制或補償?shù)裙δ?。根?jù)工作機理，半導體溫敏器件可分 為電阻型和 PN結型兩大類，它們分別以半導體材料的電阻率和 PN結特性對溫度的依賴關系作為其工作基礎。本文重點討論并搭建了 PN 結型半導體測溫傳感器。 溫敏二極管及其應用 隨著半導體技術和測溫技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在一定的電流模式下， PN 結的正向電壓與溫度之間的關系表現(xiàn)出良好的線性。根據(jù)這一關系，可以利用二極管進行溫度檢測。專用的砷化鎵和硅溫敏二極管，現(xiàn)已廣泛用于 1400K 范圍的溫度測量。由于砷化鎵溫敏二極管的磁靈敏度低，因此常常用于強磁場下的低溫測量。硅溫敏二極管的磁靈敏度雖比砷化鎵溫敏二極管高，但由于 它的工藝成熟，成本低，且在低溫下有較高的靈敏度，因此，是目前產量和用量最大的一種溫敏二極管?，F(xiàn)在討論利用 PN 結正向電壓溫度特性工作的溫敏二極管的基本工作原理、特性和應用。 工作情況簡介 由 PN 結理論可知，對于理想二極管，只要 UF大于幾個 Tk0/q，其正向