第三单元半导体双极器件结器件

第三单元半导体双极器件结器件第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一

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)面接触型第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一2.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：第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一半导体二极管图片第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一三.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。第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一

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)第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一

(C)最大耗散功率

PZM

——

稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=VZIZ，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IZ＜IZmin则不能稳压。第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一(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VZ＜4

V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4

V＜VZ

＜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。第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一

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。第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期一2.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。第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一*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。*变容二极管通常采用势垒电容。*工作区：零偏压至击穿电压。第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一*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。第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一（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。第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一（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：第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一*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区电阻为主第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一（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。第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一*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：第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期一设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。第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一3.隧道二极管第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一4.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1~2之间正向直流电阻RF和动态电阻rF(3-78)(3-79)第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一反向直流电阻RR和动态电阻rR(3-80)(3-81)第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一5.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：第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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。第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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

随着少子的减少而越来越小第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一N区正向稳态时存储的电荷：反向电压抽出的电荷总量：第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一其它存储的电荷需通过复合消失：通过求解空穴连续性方程：解得开关二极管储存时间和下降时间：第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一通过解依赖于时间的连续性方程：第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一二极管的开关速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。第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一6.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四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一理想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）

正向偏置状态第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一

(3-82)(3-83)(3-84)(3-85)第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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)第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一由双注入条件

得：A1=A2

(3-90)(3-91)

代入(3-83)第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期一（3-92）（3-93）第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期一（3-96）（3-95）（3-94）第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期一第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期一利用正向电流控制I区电阻的特性，可制成可控衰减器。第五十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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。第五十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期一在高反向电压下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。第五十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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，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。

第五十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期一清除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=0Q(0)=Q0

得：（3-98）第五十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期一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t＝0时，第五十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期一