【正文】 產(chǎn)生反向擊穿的原因有以下兩種： 1） 雪崩擊穿 ： 摻雜濃度較低的 PN結(jié)中 ， 連鎖反應(yīng) ， 造成載流子急劇增多 ， 使反向電流 “ 滾雪球 ” 般驟增 。 I / m A3210 0 . 5 1U / V正向特性－ 20 － 10反向特性IS)1( / ?? TUUS eII第一章半導(dǎo)體器件 3． PN結(jié)的擊穿特性 如前所述 ， 當(dāng) PN結(jié)外加反向電壓時 ， 流過 PN結(jié)的反向電流很小 ， 但是當(dāng)反向電壓不斷增大 ， 超過某一電壓值時 ， 反向電流將急劇增加 ， 這種現(xiàn)象稱為 PN結(jié)的 反向擊穿 (Reverse Breakdown)。 PN結(jié)的反向飽和電流 IS一般很小 (硅 PN結(jié)：毫微安量級 ， 鍺 PN結(jié)：微安量級 )，所以 PN結(jié)反向特性曲線幾乎接近于橫坐標(biāo) 。 若 UUT， 則可得下列近似式： TUUS eII /?第一章半導(dǎo)體器件 即 I隨 U按指數(shù)規(guī)律變化；當(dāng) PN結(jié)外加反向電壓 （ U為負(fù) ） ， 且 |U|UT時 ，eU/UT→ 0， 則 I≈IS。 第一章半導(dǎo)體器件 3） 伏安特性 根據(jù)理論分析 ， PN結(jié)兩端的電壓 U和流過 PN結(jié)的電流 I之間的關(guān)系為： )1( / ?? TUUS eII(12) 式中 , IS 為反向飽和電流； UT 為溫度電壓當(dāng)量 ， UT=kT/q， 其中： k為玻爾茲曼常數(shù) （ 即為 1023 J/K） ， q為電子電荷 （ 約為 1019C), T為 PN結(jié)的絕對溫度 。 PN結(jié)正向偏置時 ， 結(jié)電阻很小 ， 回路中產(chǎn)生一個較大的正向電流 ， PN結(jié)呈 導(dǎo)通狀態(tài) ； PN結(jié)反向偏置時 ， 結(jié)電阻很大 ， 回路中的反向電流很小 ， 幾乎接近于零 ， PN結(jié)呈 截止?fàn)顟B(tài) 。 第一章半導(dǎo)體器件 由于少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的 ， 其濃度很低 ， 因此反向電流數(shù)值很小 。 第一章半導(dǎo)體器件 2． PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 1） 正向特性 P 區(qū) N 區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場外電場Uho＋ －I URUho－ UP 區(qū)N 區(qū)空 間 電 荷 區(qū)促進(jìn)擴(kuò)散， 阻止漂移， 形成正向電流，為兩種 多子電流和。 不對稱 PN結(jié) :當(dāng)兩邊摻雜濃度不等時 ， 濃度高的一側(cè)的離子區(qū)寬度低于濃度低的一側(cè) 。 處于室溫時 ， 鍺的 Uho≈~ V， 硅的 Uho≈~ V。 PN結(jié)的形成 第一章半導(dǎo)體器件 PN結(jié)形成過程動畫演示 第一章半導(dǎo)體器件 P 區(qū)N 區(qū)( b )( c )Uh o空 間 電 荷 區(qū) 當(dāng)多子的擴(kuò)散運動和少子的漂移運動達(dá)到 動態(tài)平衡 時 ， 由多子擴(kuò)散運動所形成的擴(kuò)散電流和少子的漂移運動所形成的漂移電流相等 ， 且兩者方向相反 ， 此時 ， 空間電荷區(qū) （ 又稱耗盡層 、 阻擋層 ） 寬度一定 ， PN結(jié)電流為零 。 漂移運動 由于擴(kuò)散運動使 P區(qū)與 N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行。 第一章半導(dǎo)體器件 因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。 N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于 P區(qū)。氣體、液體、固體均有之。 PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。 單純的 P型或 N型半導(dǎo)體，僅僅是導(dǎo)電能力增強(qiáng)了，因此它還不是電子線路中所需要的半導(dǎo)體器件。 在 P型半導(dǎo)體中 ， 由于摻入的是三價雜質(zhì)元素 ， 使空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度 ， 空 穴： 多數(shù)載流子 (多子 ) 自由電子： 少數(shù)載流子 (少子 ) 受主原子： 雜質(zhì)原子 圖 15 P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 3 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4空位受主原子空穴簡化模型： 第一章半導(dǎo)體器件 PN結(jié) 半導(dǎo)體器件的核心是 PN結(jié) 。 第一章半導(dǎo)體器件 1． N型半導(dǎo)體 在純凈的單晶體硅中 ， 摻入微量的五價雜質(zhì)元素 ， 如磷 、砷 、 銻等 ， 使原來晶格中的某些硅原子被雜質(zhì)原子所取代 ，便構(gòu)成 N型半導(dǎo)體 。 摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為 雜質(zhì)半導(dǎo)體 。 盡管本征半導(dǎo)體在室溫情況下具有一定的導(dǎo)電能力 ， 但是 ， 載流子的數(shù)目遠(yuǎn)小于原子數(shù)目 ， 因此 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很低的 。 第一章半導(dǎo)體器件 式中：濃度單位為 cm3， K是常量 （ 硅為 1016 cm3K3/2， 鍺為 1016cm3K3/2） ， T為熱力學(xué)溫度 ， k是玻爾茲曼常數(shù) （ 105 eV/K） ， Eg0是 T = 0 K(即 273℃ )時的禁帶寬度 (硅為 ， 鍺為 )。 半導(dǎo)體中自由電子和空穴的多少分別用濃度 （ 單位體積中載流子的數(shù)目 ） ni和 pi來表示 。 有些自由電子和空穴在運動中相遇 ， 空穴又被自由電子填入 ， 電子空穴成對消失 ， 這種現(xiàn)象稱為 復(fù)合 。 這種由于本征半導(dǎo)體受熱而產(chǎn)生電子 空穴對的現(xiàn)象稱為 本征激發(fā) 。 由于本征半導(dǎo)體在室溫下每產(chǎn)生一個自由電子必然會有一個空穴出現(xiàn) ， 即電子與空穴成對產(chǎn)生 ， 稱之為 電子 空穴對 。 圖 12 硅和鍺晶體共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4價電子共價鍵第一章半導(dǎo)體器件 2． 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 在絕對零度 （ T=273℃ 或 T=0 K） 下 ， 本征半導(dǎo)體中的每個價電子都被束縛在共價鍵中 ， 不存在自由運動的電子 ， 本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體 。 整塊晶體內(nèi)部晶格排列完全一致的晶體稱為 單晶 。 1． 本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 常用的半導(dǎo)體材料硅 （ Si） 和鍺 （ Ge） 的原子序數(shù)分別為 14和 32， 它們的原子結(jié)構(gòu)如圖 11（ a） 和 （ b） 所示 。 利用半導(dǎo)體的 熱敏特性和光敏特性 可制作各種 熱敏元件和光敏元件 ， 利用 摻雜特性 制成的 PN結(jié) 是各種半導(dǎo)體器件的主要組成部分 。cm， 如果在純凈硅中摻入百萬分之一濃度的磷原子 ， 此時硅的純度仍可高達(dá)％ ， 但它的電阻率卻下降到 第一章半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體的 熱敏特性 、 光敏特性 和 摻雜特性 ： 熱敏特性 ：純凈的半導(dǎo)體硅 ， 當(dāng)溫度從 30℃ 升高到 40℃ 時 ， 電阻率減小一半； 而從 30℃ 到 100℃ 時 ， 銅的電阻率減少不到一半 。cm范圍內(nèi)的物質(zhì) ， 稱為 半導(dǎo)體 。 例如：銅 、 鋁 、 銀等金屬材料 。 將很容易導(dǎo)電 、 電阻率小于 104Ωcm的物質(zhì) ， 稱為 絕緣體 。第一章半導(dǎo)體器件 第 1章 常用半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)管 第一章半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 在自然界中存在著許多不同的物質(zhì) ， 根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同大體可分為 導(dǎo)體 、 絕緣體 和 半導(dǎo)體 三大類 。 將很難導(dǎo)電 、 電阻率大于 1010Ω 例如：塑料 、 橡膠 、 陶瓷等材料 。cm的物質(zhì) ， 稱為 導(dǎo)體 。 將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 、 電阻率在 103~109Ω 常用的 半導(dǎo)體材料 ：硅 （ Si)和鍺 (Ge)。 摻雜特性 ：純凈硅在室溫時的電阻率為 105Ωcm， 幾乎減少到原來的百萬分之一 。 第一章半導(dǎo)體器件 本征半導(dǎo)體 純凈的單晶半導(dǎo)體稱為 本征半導(dǎo)體 ， 即不含任何雜質(zhì) ， 結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體 。 圖 11 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型 (a) 硅； (b) 鍺； (c) 原子簡化模型 ＋ 4( a )＋ 32( b )＋ 14慣性核價電子( c )第一章半導(dǎo)體器件 硅和鍺都是晶體 ， 晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣 ——稱為 晶格 。 硅和鍺的單晶體即為 本征半導(dǎo)體 。 在室溫下 （ T=27℃ 或 T=300 K） ， 本征半導(dǎo)體中一部分價電子因受熱而獲得足夠的能量掙脫共價鍵的束縛成為 自由電子 ， 與此同時 ， 在該共價鍵上留下了空位 ， 這個空位稱為 空穴 。 通常將運載電荷的粒子稱為 載流子 。 第一章半導(dǎo)體器件 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電依靠兩種載流子 自由電子 和 空穴 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4自由電子空穴 可把空穴看成帶正電的粒子 ， 在外加電場作用下可以自由的在晶體中運動 ， 也是一種載流子 。 第一章半導(dǎo)體器件 3． 熱平衡載流子的濃度 在本征半導(dǎo)體中不斷地進(jìn)行著 激發(fā) 與 復(fù)合 兩種相反的過程 ， 當(dāng)溫度一定時 ， 兩種狀態(tài)達(dá)到動態(tài)平衡 ， 即本征激發(fā)產(chǎn)生的電子 空穴對 ， 與復(fù)合的電子 空穴對數(shù)目相等 ， 這種狀態(tài)稱為 熱平衡狀態(tài) 。 熱平衡狀態(tài)下的本征半導(dǎo)體： 其載流子的濃度是一定的 ， 并且自由電子的濃度和空穴的濃度相等 。 )2/(2/3 0 kTEiigeKTpn ???（ 11） 本征半導(dǎo)體的載流子濃度和 溫度 、 材料 有關(guān) 。 第一章半導(dǎo)體器件 雜質(zhì)半導(dǎo)體 利用半導(dǎo)體的摻雜特性 ， 人為的在本征半導(dǎo)體中摻入少量的其他元素 ， 可以使本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化 。 根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為 N(Negative)型半導(dǎo)體 和 P(Positive)型半導(dǎo)體 。 自由電子： 多數(shù)載流子 (多子 ) 空 穴： 少數(shù)載流子 (少子 ) 施主原子 ：雜質(zhì)原子 圖 14 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4＋ 4 ＋ 5 ＋ 4＋ 4 ＋ 4 ＋ 4自由電子施主原子簡化模型： 第一章半導(dǎo)體器件 2． P型半導(dǎo)體 在純凈的單晶硅中摻入微量的三價雜質(zhì)元素 ， 如硼 、 鎵 、銦等 ， 便構(gòu)成 P型半導(dǎo)體 。 半導(dǎo)體二極管是： 單個 PN結(jié) ； 半導(dǎo)體三極管具有： 兩個 PN結(jié) ； 場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)也是： PN結(jié) 。 若在一塊本征半導(dǎo)體上，兩邊摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為P型半導(dǎo)體，另一邊成為 N型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成一層很薄的特殊導(dǎo)電層 —— PN結(jié)。 第一章半導(dǎo)體器件 PN結(jié)的形成 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動。 擴(kuò)散運動 P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于 N區(qū)。 擴(kuò)散運動使靠近接觸面 P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。 參與擴(kuò)散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了 PN結(jié)。內(nèi)電場使空穴從 N區(qū)向 P區(qū)、自由電子從 P區(qū)向 N 區(qū)運動。 在動態(tài)平衡時 ， 由內(nèi)電場產(chǎn)生的電位差稱為 內(nèi)建電位差 Uho, 如圖 16（ c）所示 。 第一章半導(dǎo)體器件 對稱 PN結(jié) : P型區(qū)和 N型區(qū)的摻雜濃度相等時 ， 正離子區(qū)與負(fù)離子區(qū)的寬度也相等 。 P型區(qū)摻雜濃度大于 N型區(qū)的稱為 P+N結(jié)； N型區(qū)摻雜濃度大于 P型區(qū)的稱為 N+P結(jié) 。外接 R 起限流作用 第一章半導(dǎo)體器件 2） 反向特性 P 區(qū) N 區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho＋－URUho＋ U外電場IP 區(qū)N 區(qū)空 間 電 荷 區(qū)阻止擴(kuò)散， 促進(jìn)漂移， 形成反向 電流，數(shù)值 很小，又稱 反向飽和電流。 在一定的溫度下 ， 當(dāng)外加反向電壓超過某個數(shù)值 (約為零點幾伏 )后 ， 反向電流將不再隨著外加反向電壓的增加而增大 ， 故又稱為 反向飽和電流 (Reverse Saturation Current)， 用 IS表示 。 所以 ， PN結(jié)具有 單向?qū)щ娦?。