【文章內(nèi)容簡介】 值的電壓稱為門檻電壓即死區(qū)電壓，記為Vth。,，當(dāng)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(dǎo)通區(qū)，當(dāng)正向電流達(dá)到一個(gè)較大數(shù)值后，二極管的正向電壓變化很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，對應(yīng)的電壓成為導(dǎo)通電壓，記為Von。，圖（21）PN結(jié)正向偏置時(shí)耗盡層的變化為敘述方便，；，為敘述方便。 反向特性當(dāng)PN結(jié)的P區(qū)引出端接電源的負(fù)極，N區(qū)引出端接電源的正極，即PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）時(shí)，外加電壓產(chǎn)生的電場與PN結(jié)的內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場打破了原有的平衡狀態(tài)，使靠近PN結(jié)的P區(qū)空穴向左移，靠近PN結(jié)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變?yōu)?，如圖（22）所示。 U—++UW’’WX1X2NP+ 圖(22) PN結(jié)反向偏置時(shí)耗盡層的變化由于勢壘的提高，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)很難進(jìn)行，擴(kuò)散電流為零，但由于內(nèi)建電場的增加，使P區(qū)和N區(qū)中的少子漂移運(yùn)動(dòng)成為主要的。在強(qiáng)電場作用下，P區(qū)的少子電子一旦到達(dá)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(dá)空間電荷區(qū)的邊界也全部被掃向P區(qū)。所以，PN結(jié)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?yàn)樯僮拥臐舛群艿?，所以反向電流很小，可以推得反向電流Ir與反向電壓的關(guān)系為： （）隨著反向電壓的增加，反向電流開始少有增加，1，式（）可以寫成： （）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(dǎo)體的材料、摻雜濃度及工作溫度有關(guān)。一般硅PN結(jié)的IS為10151010A。鍺PN結(jié)的IS為1010107A；砷化鎵PN結(jié)的IS為10171015A。由以上分析可知，PN結(jié)加正向電壓和方向電壓時(shí)的伏安特性均可用（）式表示。正向電壓時(shí)U為正值，反向電壓時(shí)U為負(fù)值。正向電壓從零開始增大時(shí)，正向電流增加較緩慢；當(dāng)正向電壓增大到一定值時(shí)，正向電流按指數(shù)規(guī)律增大，這時(shí)PN結(jié)具有良好的導(dǎo)電性，電壓Ur稱為導(dǎo)通電壓。反向電壓從零開始增大時(shí)，反向電流隨反向電壓增加而增加，反向電流約等于Is，不再隨電壓變化。在反向電壓作用下，向電流很小，PN結(jié)的導(dǎo)電性能極差，可近似認(rèn)為PN結(jié)不導(dǎo)電，這表明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。在此需要指出的是：上述PN結(jié)的伏安特性是在理想情況下推導(dǎo)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(shí)，實(shí)際PN結(jié)的伏安特性與理想PN結(jié)的伏安特性相近，超出此范圍，就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。 二極管的擊穿問題當(dāng)PN結(jié)的外加反向電壓超過某一數(shù)值UB時(shí)，反向電流會(huì)突然猛增，而PN結(jié)兩端的電壓幾乎不變，把這種現(xiàn)象稱為PN 結(jié)的反向擊穿，UB稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)象可以分為以下兩種情況。 電擊穿按PN結(jié)反向擊穿的機(jī)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(nèi)電場增強(qiáng)，通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量液隨之增加。當(dāng)反向電壓接近擊穿電壓UB時(shí)，這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內(nèi)的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子空穴對。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會(huì)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(chǎn)生更多的電子空穴對。這種連鎖反應(yīng)繼續(xù)下去，使空間電荷區(qū)內(nèi)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(chǎn)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(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較低的PN結(jié)，空間電荷區(qū)寬度較寬，發(fā)生碰撞電離的機(jī)會(huì)較多。b 齊納擊穿齊納擊穿的物理過程與雪崩擊穿不同。當(dāng)反向電壓增大到一定值時(shí)，勢壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強(qiáng)的電場，它能夠直接將束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子拉出來，使勢壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子空穴對，形成較大的反向電流，產(chǎn)生擊穿。把這種在強(qiáng)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(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較高的PN結(jié)，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(qiáng)的電場，發(fā)生齊納擊穿。一般來說，擊穿電壓小于6V時(shí)所發(fā)生的擊穿為齊納擊穿，擊穿電壓高于6V時(shí)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(dāng)PN結(jié)擊穿時(shí)，只要PN結(jié)的反向電流限制在一定的范圍內(nèi)，使消耗在PN結(jié)上的功率未超出最大允許值，PN結(jié)未被燒毀，那么反向電壓減小后，PN結(jié)仍可恢復(fù)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(jié)上的功率超出了最大允許值，就將因PN結(jié)結(jié)溫過高，導(dǎo)致PN結(jié)被燒毀，我們稱它為熱擊穿。熱擊穿將導(dǎo)致PN結(jié)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(jié)上的功耗或通過加散熱片，強(qiáng)制風(fēng)等手段，及時(shí)地把PN結(jié)上的熱量散發(fā)出去。3溫度的影響當(dāng)工作溫度變化時(shí)將會(huì)使二極管的特性產(chǎn)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(diǎn)也就隨之確定，PN結(jié)厚度和它的結(jié)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(diǎn)是不會(huì)發(fā)生改變的。在一個(gè)固定的電路中，影響晶體管工作點(diǎn)的主要因素是晶體管的PN結(jié)厚度和結(jié)電容的大小的變化，但是隨著溫度的變化，晶體管PN結(jié)厚度和它的結(jié)電容大小會(huì)隨溫度的變化而變化，因此，總的來說，影響其工作點(diǎn)發(fā)生變化的主要因素是溫度。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱激發(fā)產(chǎn)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(rèn)為是溫度每增加100C，反向飽和電流IS增加一倍。即： ()當(dāng)外加電壓一定時(shí)，雖然 隨著溫度的增加而略有減小，但遠(yuǎn)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。即： (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?xí)绊戨娐饭ぷ鞯姆€(wěn)定性。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)因考慮溫度對二極管特性的影響。4應(yīng)用眾所周知，半導(dǎo)體材料和器件的許多性能參數(shù)，如電阻率、PN結(jié)的反向漏電流和正向電壓等，都與溫度有密切的關(guān)系。在一般應(yīng)用電路中，半導(dǎo)體材料和器件性能的這種對溫度的依賴是一種缺陷，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定，所以總是盡量設(shè)法克服和避免。然而與此相反，半導(dǎo)體溫敏器件正是利用半導(dǎo)體材料和器件的某些性能參數(shù)的溫度依賴性，實(shí)現(xiàn)了對溫度的檢測、控制或補(bǔ)償?shù)裙δ堋８鶕?jù)工作機(jī)理，半導(dǎo)體溫敏器件可分為電阻型和PN結(jié)型兩大類，它們分別以半導(dǎo)體材料的電阻率和PN結(jié)特性對溫度的依賴關(guān)系作為其工作基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)討論并搭建了PN結(jié)型半導(dǎo)體測溫傳感器。 溫敏二極管及其應(yīng)用隨著半導(dǎo)體技術(shù)和測溫技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間的關(guān)系表現(xiàn)出良好的線性。根據(jù)這一關(guān)系，可以利用二極管進(jìn)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(qiáng)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(chǎn)量和用量最大的一種溫敏二極管?，F(xiàn)在討論利用PN結(jié)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(yīng)用。 工作情況簡介由PN結(jié)理論可知，對于理想二極管，只要UF大于幾個(gè)Tk0/q，其正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關(guān)系就可表示為 （）式中:指飽和電流；B’=AB指與溫度無關(guān)并包含結(jié)面積A的常數(shù)；r指與遷移率有關(guān)的常數(shù)（，而可通過求得，DN是電子擴(kuò)散系數(shù) 是非平衡電子壽命）；T是指絕對溫度，其單位為K。Eg0是指溫度為0K時(shí)材料的禁帶寬度，其單位為eV。K0是指波爾茲曼常數(shù)；q是指電子的電荷量，q= 對式（），兩端取對數(shù)可得作為溫度和電流函數(shù)的正向電壓，即: ()式中：Ug0=Eg0/q式()給出了二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關(guān)系。在一定的電流下，隨著溫度的升高，正向電壓下降，表現(xiàn)出負(fù)的溫度系數(shù)。溫度傳感器總是從某一溫度起開始工作。如果在某已知的溫度（如室溫）T1下，工作電流為IF1那么，相應(yīng)的正向電壓UF1應(yīng)滿足式（），即 ()由式（）減去式（），整理得 ()式（）是理想二極管的正向電壓與溫度之間關(guān)系的另一種表達(dá)方式。由半導(dǎo)體理論可知，對于實(shí)際的二極管來說，只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略，而又未發(fā)生大注入效應(yīng)的電壓和溫度的范圍內(nèi)，它們的特性就與理想模型相符。因此式（），）和式（）就可用來描述它們的電流電壓及溫度特性。研究表明，對于鍺和硅二極管，在相當(dāng)寬的一個(gè)溫度范圍內(nèi)，其正向電壓與溫度之間的關(guān)系符合式（）和式（）。所以，根據(jù)它們就可以制造溫敏二極管，通過對其正向電壓的測量可實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測。 幾個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)(1)UFT關(guān)系對于不同的工作電流，溫敏二極管的 UFT關(guān)系也將不同。圖（41）給出了國產(chǎn)2DWM1型（遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn)）硅溫敏二極管恒流下的UFT特性。由圖（41）可以看出，在50—+500C 范圍內(nèi)，其 UFT之間具有良好的線性關(guān)系。圖（41）2DWM1型溫敏二極管的UFT特型(2)靈敏度特性靈敏二極管的靈敏度定義為正向電壓對溫度的變化率。將式（）對T求偏導(dǎo)，可得靈敏度表達(dá)式： ()由式（）可知，溫敏二極管的靈敏度為負(fù)值，且與常數(shù)r，溫度T及電流IF有關(guān)。當(dāng)IF=IF1時(shí)，靈敏度表達(dá)式為 ()