第三单元半导体双极器件结器件课件.ppt

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1、第三单元半导体双极器件结器件第1页，此课件共63页哦 图 01.11 二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型第2页，此课件共63页哦2.半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：第3页，此课件共63页哦半导体二极管图片第4页，此课件共63页哦三.特殊二极管 1.稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用

2、电路如图所示。特殊二极管包括稳压管、变容二极管、隧道二极管、光电二极管、发光二极管等。第5页，此课件共63页哦 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b)伏安特性 (c)应用电路(b)(c)(a)第6页，此课件共63页哦从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。(A)稳定电压VZ(B)动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ第7页，此课件共63页哦(C)最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热

3、等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。(D)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin 稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。第8页，此课件共63页哦(E)稳定电压温度系数VZ 温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。第9页，此课件

4、共63页哦 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。第10页，此课件共63页哦2.变容二极管 利用PN结电容随外加电压非线性变化的特性，即电抗可变器件。具有以下三种效应：（1）通过外加电压改变电抗，用做微波信号的开关或调制。（2）利用非线性特性产生外加微波信号的谐波。（3）用两个不同频率的微波信号进行参量放大，或将其中一个信号上变频。第11页，此课件共63页哦*器件特性尽可能接近理想可变电容，即损耗越小越好。*PN结扩散电容，损耗电导大。*

5、变容二极管通常采用势垒电容。*工作区：零偏压至击穿电压。第12页，此课件共63页哦*变容二极管结构和参数器件工作在反偏区，结电阻大约为10兆欧，单位面积结电容约为几个微微法拉，在高频应用时，结阻抗与结容抗相比可忽略不计。第13页，此课件共63页哦（1）变容二极管的参数 电容变化系数，品质因数，串联电阻和击穿电压。（A）电容变化系数：电容-电压非线性变化程度Cmax：零偏压时的结电容Cmin：击穿电压时的结电容 值越大，表示结电容相对变化越大。)(2minmaxminmaxCCCC第14页，此课件共63页哦（B）品质因数Q：储存能量与消耗能量的比值。变容二极管的效率也由品质因数表示。Q值的意义是

6、表示变容二极管储存交流能量的本领，其值越大越好。零偏压时的Q值：JsCfRQ210012sJQfR C第15页，此课件共63页哦*零偏压截止频率Qo=1（C）串联电阻Rs：源于材料体电阻和接触电阻。非外延变容二极管以基区电阻为主外延变容二极管以N区电阻为主0012sJfR CSPNBCRRRRR第16页，此课件共63页哦（2）变容二极管结构设计理想材料：A：至少有一种载流子有较高的迁移率；B：介电常数小；C：禁带宽度大；D：杂质电离能小；E：热导率大。第17页，此课件共63页哦第18页，此课件共63页哦*设计台面型外延二极管时最重要的参数：A：外延层电阻率B：外延层厚度C：扩散深度 外延层或N

7、区杂质浓度由截止频率和击穿电压决定。降低外延层杂质浓度击穿电压提高，但截止频率下降。零偏压截止频率：mDcqNf210第19页，此课件共63页哦扩散后外延层净杂质分布：P型杂质表面浓度 外延层初始杂质浓度 衬底杂质浓度2012)()(LxxerfcNxNLxerfcNxNeBS()BNxSN112LDt222LD t0N第20页，此课件共63页哦 设PN结空间电荷区中无可动电荷，杂质全部电离，则泊松方程：解泊松方程可求得结电场与电势，进而求得结电容、击穿电压等参数。202012()2eSBNxxd VqxN erfcNxerfcdxLL第21页，此课件共63页哦第22页，此课件共63页哦第23

8、页，此课件共63页哦3.隧道二极管第24页，此课件共63页哦第25页，此课件共63页哦第26页，此课件共63页哦第27页，此课件共63页哦4.整流器 整流器是一种对交流电进行整流的PN结二极管 (3-77)n介于12之间正向直流电阻RF和动态电阻rF (3-78)(3-79)(1)qVnkTsIIenkTqVsFFFeRIVIVFFFFqInkTdIdVFr第28页，此课件共63页哦反向直流电阻RR和动态电阻rR (3-80)(3-81)sRRRIVIVRRkTRVqsRRerqInkTdIdVR第29页，此课件共63页哦5.开关二极管 利用P+N结的单向导电性制成的开关器件。PN结反向渡越过

9、程分为电流恒定和电流衰减两个阶段。电流恒定的时间称存储时间；从电流开始下降到下降到初始值百分之十这段过程为下降过程。存储时间和下降时间之和称为反向恢复时间：fsrttt第30页，此课件共63页哦第31页，此课件共63页哦PN结正偏时，N区空穴分布：t=0 到 t=ts：在N区仍存在非平衡载流子，故pn两端的电压为正。00)1()(nLxkTqVnPeePxppF0),0(ln0njPtPqkTV 0RVIRR第32页，此课件共63页哦nRpx xdpIAqDdx N区在正向稳态时储存的空穴通过两个途径消失：*反向电路抽出*电子空穴复合stt 0)(nnpxp0jVnxndxdp 随着少子的减少

10、而越来越小第33页，此课件共63页哦第34页，此课件共63页哦N区正向稳态时存储的电荷：00(1)(1)pFpFxLqVLkTsnqVkTnoPFpQAqPeedxAqPeLI反向电压抽出的电荷总量：dttItIQrsttttRsRr)(00第35页，此课件共63页哦其它存储的电荷需通过复合消失：prsqQQ复合率通过求解空穴连续性方程：pppxpDtp22解得开关二极管储存时间和下降时间：第36页，此课件共63页哦exp()1 0.1()tffpRtfpFptIIefr FRFpsIIIterf通过解依赖于时间的连续性方程：第37页，此课件共63页哦第38页，此课件共63页哦 二极管的开关速

11、度主要由反向恢复时间和下降时间决定。反向恢复时间由正向电流、反向抽出电流和N区少子寿命等因素决定。减少寿命是提高开关频率的重要措施。第39页，此课件共63页哦第40页，此课件共63页哦第41页，此课件共63页哦6.PIN二极管 PIN二极管是在P、N层之间增加了一本征层。由于I层能承受高的电压，故大功率二极管必须采用此种结构。PIN二极管还用作微波开关、限幅和可变衰减器等。1）PIN二极管的能带和电场第42页，此课件共63页哦第43页，此课件共63页哦第44页，此课件共63页哦第45页，此课件共63页哦 理想PIN二极管的几点假设：（1）I区内载流子的迁移率和寿命保持不变；（2）电子和空穴有相

12、同的寿命和迁移率；（3）满足准中性条件，（4）在PI界面电流完全由空穴承担，在IN界面电流完全由电子承担。A）正向偏置状态)()(xpxn第46页，此课件共63页哦第47页，此课件共63页哦 (3-82)(3-83)(3-84)(3-85)ndnjnqEqDdxpdpjpqEqDdx/innnnjqt/ippppjqt第48页，此课件共63页哦I区电压降很小，故忽略漂移电流和本征载流子 在稳态下：(3-86)(3-87)通解为：(3-88)(3-89)2220nnxL0222Lpxp)exp()exp()(21LxLxAAxn12()exp()exp()xxLLp xBB第49页，此课件共63

13、页哦 由双注入条件 得：A1=A2 (3-90)(3-91)代入(3-83)()(xpxn00)(xdxxdn)()(22WxnxnW)()()(22)(LWLxWchchnxn02Wxpj第50页，此课件共63页哦dpdxp EDdxdndxdpdxdnnqDj2)()().(222222LWLWWWLchshnxdxdnnFAqDAqDAjI)2(2)2()2(LWqDshLWLchIWnF（3-92）（3-93）第51页，此课件共63页哦221()wwFd xRAx)(2)()()(xnqxpxnqx)()(2122LWLWqIkTFshtgshRFLW LWLWsh22)(LWLWsh

14、tg221)(FIWFR2)(2)(2)()(LWLxFqDAshLchIxpxn（3-96）（3-95）（3-94）第52页，此课件共63页哦第53页，此课件共63页哦 利用正向电流控制I区电阻的特性，可制成可控衰减器。第54页，此课件共63页哦B）反向偏置状态I区全耗尽时，PIN二极管相当于一平板电容。WAJiC0第55页，此课件共63页哦在高反向电压 下PIN二极管的电场分布近似为矩形，宽为I区宽度W，高为I区最大电场 。mEWEBmBAWRAWRCRRisisjsr001第56页，此课件共63页哦C）PIN的开关时间 PIN二极管实际上是一种特殊的电荷存贮二极管。当它处于正向导通状态时

15、，希望I层贮存尽可能多的电子和空穴，以使正向阻抗降得很低。当它处于反向截止状态时则希望把I层贮存的载流子尽快地消除掉这就是PIN二极管的开关速度问题开关速度由开关时间决定，开关时间主要取决于器件从通到断的关闭时间，即反向恢复时间。要减小反向恢复时间，就要减少正向时的存贮电荷和提高反向时对存贮电荷的扫出速度。但是，减少正向时的存贮电荷势必增加正向电阻，所以主要是靠提高反向时的扫出速度来缩短开关时间。第57页，此课件共63页哦清除I区的存贮电荷有两个途径一是载流子的复合,二是反向电流的抽取作用设正偏时I区存贮的电荷量为Q(t)，反偏时Q(t)将随时间而减小单位时间内I区电荷的减少量等于因复合而减少

16、的电荷量与单位时间内从I区流出的电荷量之和,即 （3-97）初始条件为 t=0 Q(0)=Q0 得：（3-98）RtQdttdQI)()(teQtQ0)(第58页，此课件共63页哦如果规定存贮电荷减小到只剩5所用的时间为反向恢复时间，则有 另一极端情况是忽略复合的作用，则：（3-98）初条件为t0时，3ftRdtdQIFIQ 0第59页，此课件共63页哦 （3-99）全部抽出Q0所用的时间为：（3-100）在实际器件中，可以用加很大的反向电流脉冲的方法使IRIF，则这时开关时间将远小于载流子的寿命。0)(QtItQRRIIft第60页，此课件共63页哦7.大功率快恢复二极管 对功率器件而言，不

17、但有考虑开关特性同时要兼顾功率处理能力既大的正向平均电流，高的反向重复峰值电压。目前发展最为迅速的是快恢复二极管。改善大功率二极管性能的主要方法：1）少子寿命控制技术l 选用低阻材料：减少基区宽度，降低Qs和trr。l 控制杂质分布：P+与N+之间采用高阻层并使杂质呈突变结分布，可使存储电荷减少近一半。2）重金属掺杂：常用的重金属杂质为金、铂和钯第61页，此课件共63页哦金在硅中有二个能级，其中0.54eV处的能级起复合中心的作用。钯在硅中有三个能级，其中0.32eV处的能级起复合中心的作用。铂在硅中有六个能级，其中0.42eV处的能级起主要的复合中心作用。3）电子辐照特点：通过对电子注入剂量的调节精确控制少子的寿命；在器件封装完成后进行。4）采用新结构第62页，此课件共63页哦第63页，此课件共63页哦