• 濟南晶恒 1997—
    中國半導體分立器件研發制造基地
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    新聞資訊,高壓二極管,雙向觸發二極管

    P-Si與N-Si的美麗邂逅–PN結

    返回列表 來源:晶恒 瀏覽:- 發布日期:2015-11-19 14:52:00【

    學習半導體器件,必須讀懂PN結(PN junction),它是所有器件理論的基礎,所以的器件都是靠PN結組成的,不學PN結,講device就是空中樓閣。

    我們知道硅(臺灣叫“矽”, Si)是半導體,導電性介于導體和絕緣體之間。不是說它的節電(dielectric)常熟介于之間哦,而是說純硅(pure Si)的時候不導電,但是摻入一定雜質后就導電了。由這種半導體做出來的器件就叫做半導體器件。簡單吧!

    下面討論下摻雜怎么讓它導電的,我們知道Si在元素周期表里為四價,所以當他摻入三價的B/Ga/In,因為他們最外層只有三個電子,如果要與Si形成8個電子穩定的共價鍵則需要從外界吸收一個電子,所以外面多了空穴而帶正電,所以我們稱摻了三價原子的Si為P型硅(P-Si),而被摻雜原子因為要接受一個電子,稱之為受主(Acceptor)。如果往硅里面摻入五價的P/As/Sb元素的時候,因為最外層有5個電子,與硅形成穩定的8個電子共價鍵的時候,還剩一個多余的電子帶負電,所以我們稱之為N-Si,而被摻雜的原子因為要給出一個電子,所以稱之為施主(Donor)。記住一個概念,雖然P-Si和N-Si為帶空穴或電子,但是這兩種半導體本身是不帶電的。(如果搞不清楚的可以私下問我,別到時候面試被問到不知道就丟人了。),它只是改變了導電特性,本身不帶電。另外一個概念對理解器件很重要,不管是P-Si還是N-Si不是只單一含有空穴或電子,而是兩者都有。只是P-Si的空穴為多數載流子(Majority),而電子為少數載流子(Minority),反之N-Si的電子為多數載流子,而空穴為少數載流子。

    下面討論,當P-Si與N-Si碰到一塊會怎么樣?干柴碰烈火了!我們知道當濃度差一定會發生擴散,所以P-Si的多子(majority)空穴會穿過界面流入N-Si一側與電子復合,而N-Si的多子電子也會穿過界面流入P-Si一側與空穴復合。所以在界面兩側會產生空間電荷區,在N-Si一側如果過來的空穴過多超過復合量,則會堆積少量空穴,而在P-Si側也會同理堆積少量電子。這樣在P-Si和N-Si的兩側也會產生一個反向的電壓差產生內建電場抑制濃度差造成的擴散(書上稱之為漂移),最終達到擴散和漂移相等的動態平衡。

    下面討論下PN結/二極管(PN結也叫二極管)的導電特性。

    1. 當P-Si加正電壓/N-Si加負電壓時,我們稱之為正偏(Forward Bias)。此時勢壘降低,我們剛剛講的動態平衡就會被打破,此時相當于P-Si給了更多的空穴用于抵消P-Si那邊的N型空間電荷去,N-Si給了更多的電子用于消耗N-Si那邊的P型空間電荷去,所以空間電荷去寬度變小,正向電流電流增大。當兩個空間電荷去消失則直接變為導體就飽和了。

    2. 當P-Si加負電壓/N-Si加正電壓時,稱之為反偏(Reverse Bias)。此時勢壘增高,按照剛剛的理論則空間電荷區會變寬,但是不會無限變寬直之截至。因為反向電壓增強到某個臨界值,則電場增強會導致電子碰撞產生新的電子空穴對(Electro-hole Pair),而產生的電子繼續在電場下碰撞繼續產生,如此滾雪球碰撞就產生了雪崩擊穿(Avalanche Breakdown, BV).所以簡化PN結和二極管的電壓/電流(I-V)特性曲線如下(正向導通反向截止):在正向電壓下先空間電荷區逐漸減小,電流逐漸增大,最后直接導通。在反向電壓下,空間電荷去增寬,所以一直截止,直至擊穿。正向導通電壓只要是Si幾乎都是0.6~0.8V,由它的盡帶寬度(Forbbiden Area)決定的。如果是Ge幾乎是0.4~0.6V。但是反向擊穿電壓則隨著兩邊濃度變化而變化,總體是濃度增加擊穿電壓減小。

    如果單純用二極管作為器件,主要利用它的正向導通反向截止:

    1. 整流:交流變直流,因為交流相位發生變化,所以正向導通反向截止是的單向位通過則實現直流。

    2. 鉗位 (Clamp)/穩壓: 在電路輸入端旁路并聯一個反向的二極管,正常工作時,因為二極管反向截止,所以可以忽略,但是當電壓升高時,則旁路二極管反向擊穿短路則保護了電路被燒毀。這也是早起比較簡單的ESD保護電路,只是我們要通過調整dopping來實現反向擊穿電壓值。

    3. 變容:我們沒有講一個概念,空間電荷區,其實是一個電容重放電的過程,所以這個空間電荷區也是一個電容,通過改變這個寬度實現電容的調整,這個比較多應用在簡單的震蕩器和頻率調制等。

    大概就講這些吧,以后講到HV器件的Breakdown再給大家講突變結(Abrupt)和緩變結(Gradiant)。

    高中化學里面講原子結構都有個最外層電子的軌道雜化,叫什么基態和激發態等等,我也忘了。但是只要記住基態都是能量比較穩定的,不參與導電的那一部分,而激發態就是比較活躍的那一部分,形象的這樣加深記憶就好了。在半導體里面就各自分為導帶(Conduction band)和價帶(valance band),顧名思義就是能夠導電的電子層所在區域和不能導電的區域。

    從不導電的價帶到導電中間的區域為禁帶(Forbidden Band),必須要有足夠的能量,才能躍遷過這個區域達到導帶參與導電,而這個躍遷所需的能量就是禁帶寬度(eV),盡帶寬度就是物理上定義為導體和絕緣體的指標。(絕緣體的禁帶寬度~4.5eV,而半導體0.1~2eV)禁帶寬度里面還有個詞叫做費米能級,這個東西要從量子力學說起,話說這個粒子都是一直在那里無規則熱震動的(萬物都是運動的),所以它會在某個位置或相鄰位置來回運動,每個電子都有自己的位置(量子態),但每個位置同時只有一個粒子/電子,遵循鮑利不相容原理。能帶圖在解釋后面的導電特性很有用,當然你也可以用其他方法解釋,只要行得通,只是最權威最foundmental的解釋就是能帶。

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