第一章半导体材料和二极体ppt课件

1、第一章半導體材料與二極體1.1 半導體材料與性質 1.2 pn接面 1.3 二極體電路: 直流分析及模型1.4 二極體電路: 交流等效電路1.5 其他型式二極體(本教材取材自 Donald A.Neamen 著 呂學士 劉深淵 審閱 林佑昇 劉致為 楊榮吉 譯“微電子學第三版上冊)1.1 半導體材料與性質1.1-1 本質半導體原子由核子及電子組成。核子含有帶正電之質子與呈電中性之中子。電子則帶負電且根據古典理論乃繞著核子旋轉。最外一層殼層中的電子叫價電子，各種材料之化學性質主要由 這些價電子的數目而定。矽與錯乃屬四族之元素半導體 每個矽原子均有四個最鄰近原子。原子與原子間共享價電子，即形成所謂

2、之共價鍵(covaIentbond)。 如果溫度上升，價電子會從中獲取熱能。有些電子即有可能獲取足以打斷共價鍵之熱能而從其原來之位置游離出來，此即為自由電子。 如果一個帶負電之電子掙開共價鍵且從其原來位置游離出來，那麼在其原本所處的位置就會有帶正電荷之“空能態產生出來，此即為電洞。為了打斷一個共價鍵，一個價電子必須至少獲取某一最小之能量，此稱為能隙能量(bandgapenergy)。電子及電洞之濃度直接影響電流大小。1.1-2 非本質半導體本質半導體中之電子與電洞濃度，相對來說，乃一很小之數值，所以只能產生很小的電流。然而，藉著再加入某控制量的外來雜質，則可以大大地增加電子或電洞的濃度。如當一

3、個磷原子取代矽原子時，其外部四個價電子被用來滿足共價鍵之要求。第五個價電子變得鬆散地束縛於磷原子。在室溫下，此電子具有足以掙開其鍵結之熱能，因而可在晶體中自由移動並在半導體中貢獻電子電流。此磷原子稱為施體雜質(donorimpurity)，因為它捐獻了一個可以自由移動之電子。 熱平衡下半導體中電子與電洞濃度間的基本關係式由下給定n0 為自由電子之熱平衡濃度， p0為電洞之熱平衡濃度， ni為本質載子濃度如果施體(受體)濃度Nd(Na)遠大於本質濃度，則在n型半導體中，電子被稱為多數載子(majoritycarnier)，因它們的數目遠超過電洞，即少數載子(minoritycarrier)的數目

4、。相反的，在p型半導體中，電洞被稱為多數載子而電子則為少數載子。 200inpn)(00adNpNn)(2020aidiNnnNnp1.1- 3 飄移及擴散電流在半導體中有兩種基本過程導致電子及電洞的移動，它們是(a)飄移(drift)，由電場造成之移動;及(b)擴散(diffusion)，由濃度差異(即濃度梯度)所造成之流動。漂移假設給半導體一個電場，此場產生力量作用在自由電子及電洞而產生漂移速度與移動n型半導體：電場方向與對電子產生之力量反向漂移速度 ，負號表相反方向 為電子動性，可想成電子在半導體內可移動多好的參數。低摻雜矽之典型值為1350 (cm2/V-s) Evndnn 擴散：粒子

5、由高濃度向低濃度流動 是一種統計現象，與動力學理論有關 簡易說明 高濃度粒子一半往低濃度流，低濃度亦一半往高濃度流，所以淨結果是高濃度粒子往低濃度流 電子及電洞之擴散方向與電流方向：如圖 總電流密度：漂移與擴散兩成份之總和 通常僅其中一項主導1.1- 4 多出載子當電壓施加於或電流存在於半導體元件時，半導體實際上並不處於平衡態中。在本節申，我們將討論非平衡態下電子及電洞濃度的行徑。如果價電子與照入半導體內之光子交互作用，那麼它們可能獲取足夠之能量而掙開共價鍵並成為自由電子。當這種情況發生時，電子與電洞都同時被創生，即生成一電子電洞對。這些電子及電洞稱為多出電子(excesseIectrons)

6、與多出電洞(excesshoIes) 電子(電洞)濃度： 為多出電子(電洞)濃度如果半導體處於穩態，多出電子及多出電洞的產生將不致於造成載子無限制增加，因為一個自由電子可與一個自由電洞復合，叫電子一電洞復合過程(eIectron-hoIerecombination)。 )(00pppnnn)( pn1.2 pn接面1.2- 1 平衡時之 pn接面 (a)簡化後之pn接面圖(b)一個理想且均勻摻雜之pn接面的摻雜分布圖 冶金接面跨此接面電子電洞皆有很大的濃度梯度剛開始時，在冶金接面處之芭子及電洞擴散，以建立起熱平衡 熱平衡時之pn接面:(a)空閒電荷區及它場(b)跨越接面之電位1.2- 2 反向

7、偏壓之 Pn接面施加了反向偏壓之pn接面，圖中顯示了施加電壓VR所導致之電場的方向以及由空間電荷所導致之電場的方向。 Example 1.4：求接面電容 先求Vbi再代入Cj的公式1.2- 3 順向偏壓之 pn接面施加了順向偏壓之pn接面，圖中顯示VD所導致之電場EA的指向及淨空間電荷電場之指向 1.2- 4 理想電流一電壓關係IS為反向飽和電流，與摻雜濃度及接面截面積有關。對矽的pn接面而言，其值在10-15至10-13VT為熱電壓，室溫下約為0.026 Vn為放射係數或理想因子，介於1至2間(通常用1)小電流時會接近2，較高電流時則接近1Example 1.5：求pn接面之電流代入公式雖I

8、S可能非常小，相當小的順向偏壓亦可得相當大之電流反向偏壓所得之電流幾乎為01TDnVvSDeIi1.2- 5 pn接面二極體pn接面二極體之理想IV特性pn接面二極體理想之順向偏壓I-V特性，但電流取對數作圖 將一個二極體從順偏切換至反偏的簡單電路 在順向偏壓下所儲存之多出少數載子電荷分佈與在反向偏壓下所儲存之多出少數載子電荷分佈的比較 1.3 二極體電路: 直流分析及模型理想二極體(a)Iv特性(b)反向偏壓下等效電路(c)導通狀態下之等效電路二極體整流器(a)電路(b)弦波輸入訊號(c)VI0下之等效電路(d )VIVr，在導通之狀態;(b)當VDVr， 在關閉之狀態;(c)當rf=0時之

9、片段線性近似 1.4 二極體電路:交流分析與等效電路1.4-1 弦波分析 TdTDQTdDQTDVvVVSVvVSVvSDeeIeIeIidDQdTDQDQTdDQDiIvVIIVvIi1頻率響應如果交流輸入訊號之頻率增加，伴隨順向偏壓pn接面而來之擴散電容(diffusioncapacitance)會變得很重要。擴散電容 ，一般大於接面電容。DddVdQC1.4-2 小訊號等效電路簡化電路完整電路ddjwCgY電導納 1.5 其他型式二極體1.5-1 蕭基位障二極體 1.5-2 齊納二極體 反偏到某點使二極體崩潰而反向電流急速增加 齊納二極體設計製造以提供特定的崩潰電壓 大電流有大功率消耗而有過熱效應