[信息与通信]2《工程学概论》半导体基本特性--02.ppt

重 点 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 当PN结外加反向电压（U为负），且|U|UT时，eU/UT→0，则I≈-IS。即反向电流与反向电压大小无关。PN结的反向饱和电流IS一般很小（硅PN结的IS为毫微安量级， 锗PN结的IS为微安量级。 PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标 PN结伏安特性曲线 I 随U 按指数规律变化 PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标 实际上，当PN结处于正向偏置，且外加正向电压不太大时，IS很小，所以I 仍是很小的数值，PN结几乎不导通。 只有当外加正向电压Ｕ较大时，电流I才会有明显的增加。工程上定义正向电压需达到一定的电压值，正向电流才开始显著上升， 该电压为导通电压，用Uon表示。 通常硅管的Uon≈0.6~0.8 V，锗管的Uon≈0.1~0.3 V 当PN结外加反向电压时，流过PN结的反向电流很小，但是当反向电压不断增大，超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。 3． PN结的击穿特性 反向电流急剧增加时所对应的反向电压U (BR)称为反向击穿电压 PN结产生反向击穿的原因有以下两种： 在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压逐渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速， 动能加大。 当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生电子-空穴对。 新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子， 又产生新的电子-空穴对。 如此连锁反应，造成载流子急剧增多， 使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为雪崩击穿。 1） 雪崩击穿 雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（如4 V以下），阻挡层就可能获得2×106 V/cm以上的电场强度，该场强足以直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来，从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大。这种反向击穿现象称为齐纳击穿。 齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。 2） 齐纳击穿 通常情况下，反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在4~7 V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿， 只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。 由上式可知，PN结电流的大小与UT和IS有关，而UT和IS均为温度的函数，所以PN结的伏安特性与温度有关。  实验证明，在室温下，温度每升高1℃，在同一正向电流下， PN结正向压降减小2~2.5 mV；温度每升高10℃，反向饱和电流大约增加 1 倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。  此外, PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明， 雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。 4． PN结的温度特性 实践证明，PN结的单向导电性仅在直流或外加电压变化非常缓慢的情况下才是正确的。 当外加电压变化很快时， PN结的单向导电性就不完全成立， 其主要原因是PN结的电容效应。  什么是电容效应呢？电容器可看成是一个存储电荷的容器， 当电容器两端加上电压时，电容器内将产生电荷的堆积，随着外加电压的变化，堆积的电荷也随之变化。因此，可以把电路中出现的任何一种电荷堆积现象都看成为电容效应。 在PN结内部由于载流子运动所产生的电容效应主要有势垒电容和扩散电容。 5． PN结的电容特性 PN结实际上就是一个空间电荷区，空间电荷区中不能移动的正、负离子相当于PN结所储存的电荷量。 当PN结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小；当PN结外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增加。  由此可见，随着外加电压U的变化，空间电荷区出现电荷的堆积和消散，与之相应的电荷量Q也随着发生变化，如同电容的充电和放电一样，称此为势垒电容Cb。 1） 势垒电容Cb 势垒电容的大小与PN结的结面积S成正比，与空间电荷区的宽度l成反比，ε为半导体材料的介电系数。 由于空间