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學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件,，必須讀懂PN結(jié)(PN junction)，它是所有器件理論的基礎(chǔ),，所以的器件都是靠PN結(jié)組成的,，不學(xué)PN結(jié)，講device就是空中樓閣,。 我們知道硅(臺(tái)灣叫“矽”, Si)是半導(dǎo)體,，導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。不是說它的節(jié)電(dielectric)常熟介于之間哦,，而是說純硅(pure Si)的時(shí)候不導(dǎo)電,，但是摻入一定雜質(zhì)后就導(dǎo)電了。由這種半導(dǎo)體做出來的器件就叫做半導(dǎo)體器件,。簡(jiǎn)單吧,！ 下面討論下?lián)诫s怎么讓它導(dǎo)電的，我們知道Si在元素周期表里為四價(jià),，所以當(dāng)他摻入三價(jià)的B/Ga/In,，因?yàn)樗麄冏钔鈱又挥腥齻€(gè)電子，如果要與Si形成8個(gè)電子穩(wěn)定的共價(jià)鍵則需要從外界吸收一個(gè)電子,，所以外面多了空穴而帶正電,，所以我們稱摻了三價(jià)原子的Si為P型硅(P-Si)，而被摻雜原子因?yàn)橐邮芤粋€(gè)電子，稱之為受主(Acceptor),。如果往硅里面摻入五價(jià)的P/As/Sb元素的時(shí)候,，因?yàn)樽钔鈱佑?個(gè)電子，與硅形成穩(wěn)定的8個(gè)電子共價(jià)鍵的時(shí)候,，還剩一個(gè)多余的電子帶負(fù)電,，所以我們稱之為N-Si，而被摻雜的原子因?yàn)橐o出一個(gè)電子,，所以稱之為施主(Donor),。記住一個(gè)概念，雖然P-Si和N-Si為帶空穴或電子,，但是這兩種半導(dǎo)體本身是不帶電的,。(如果搞不清楚的可以私下問我，別到時(shí)候面試被問到不知道就丟人了,。),，它只是改變了導(dǎo)電特性，本身不帶電,。另外一個(gè)概念對(duì)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(shù)載流子(Majority),，而電子為少數(shù)載流子(Minority)，反之N-Si的電子為多數(shù)載流子,，而空穴為少數(shù)載流子,。 下面討論，當(dāng)P-Si與N-Si碰到一塊會(huì)怎么樣,？干柴碰烈火了,！我們知道當(dāng)濃度差一定會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，所以P-Si的多子(majority)空穴會(huì)穿過界面流入N-Si一側(cè)與電子復(fù)合,，而N-Si的多子電子也會(huì)穿過界面流入P-Si一側(cè)與空穴復(fù)合,。所以在界面兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生空間電荷區(qū)，在N-Si一側(cè)如果過來的空穴過多超過復(fù)合量,，則會(huì)堆積少量空穴,，而在P-Si側(cè)也會(huì)同理堆積少量電子,。這樣在P-Si和N-Si的兩側(cè)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的電壓差產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)抑制濃度差造成的擴(kuò)散(書上稱之為漂移),，最終達(dá)到擴(kuò)散和漂移相等的動(dòng)態(tài)平衡。(如下圖,，能帶圖部分本篇末尾再介紹,，有興趣再閱讀)
下面討論下PN結(jié)/二極管(PN結(jié)也叫二極管)的導(dǎo)電特性。 1. 當(dāng)P-Si加正電壓/N-Si加負(fù)電壓時(shí)，我們稱之為正偏(Forward Bias),。此時(shí)勢(shì)壘降低,，我們剛剛講的動(dòng)態(tài)平衡就會(huì)被打破，此時(shí)相當(dāng)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(dāng)兩個(gè)空間電荷去消失則直接變?yōu)閷?dǎo)體就飽和了,。 2. 當(dāng)P-Si加負(fù)電壓/N-Si加正電壓時(shí)，稱之為反偏(Reverse Bias),。此時(shí)勢(shì)壘增高,，按照剛剛的理論則空間電荷區(qū)會(huì)變寬，但是不會(huì)無限變寬直之截至,。因?yàn)榉聪螂妷涸鰪?qiáng)到某個(gè)臨界值,，則電場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致電子碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)(Electro-hole Pair)，而產(chǎn)生的電子繼續(xù)在電場(chǎng)下碰撞繼續(xù)產(chǎn)生,，如此滾雪球碰撞就產(chǎn)生了雪崩擊穿（Avalanche Breakdown, BV). 所以簡(jiǎn)化PN結(jié)和二極管的電壓/電流(I-V)特性曲線如下(正向?qū)ǚ聪蚪刂?/span>)：在正向電壓下先空間電荷區(qū)逐漸減小,，電流逐漸增大，最后直接導(dǎo)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?qū)妷褐灰荢i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,。(原因你猜猜看,，如果想不通可以來找我~~)
1. 整流：交流變直流,，因?yàn)榻涣飨辔话l(fā)生變化,，所以正向?qū)ǚ聪蚪刂故堑膯蜗蛭煌ㄟ^則實(shí)現(xiàn)直流。 2. 鉗位 (Clamp)/穩(wěn)壓: 在電路輸入端旁路并聯(lián)一個(gè)反向的二極管,，正常工作時(shí),，因?yàn)槎O管反向截止，所以可以忽略,，但是當(dāng)電壓升高時(shí),，則旁路二極管反向擊穿短路則保護(hù)了電路被燒毀,。這也是早起比較簡(jiǎn)單的ESD保護(hù)電路，只是我們要通過調(diào)整dopping來實(shí)現(xiàn)反向擊穿電壓值,。 3. 變?nèi)荩何覀儧]有講一個(gè)概念,，空間電荷區(qū)，其實(shí)是一個(gè)電容重放電的過程,，所以這個(gè)空間電荷區(qū)也是一個(gè)電容,，通過改變這個(gè)寬度實(shí)現(xiàn)電容的調(diào)整，這個(gè)比較多應(yīng)用在簡(jiǎn)單的震蕩器和頻率調(diào)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(jié)(Abrupt)和緩變結(jié)(Gradiant)。
這里再附帶講一下文中的能帶圖： 高中化學(xué)里面講原子結(jié)構(gòu)都有個(gè)最外層電子的軌道雜化,，叫什么基態(tài)和激發(fā)態(tài)等等,，我也忘了。但是只要記住基態(tài)都是能量比較穩(wěn)定的,，不參與導(dǎo)電的那一部分,，而激發(fā)態(tài)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(dǎo)體里面就各自分為導(dǎo)帶(Conduction band)和價(jià)帶(valance band),，顧名思義就是能夠?qū)щ姷碾娮訉铀趨^(qū)域和不能導(dǎo)電的區(qū)域。 從不導(dǎo)電的價(jià)帶到導(dǎo)電中間的區(qū)域?yàn)榻麕?Forbidden Band),，必須要有足夠的能量,，才能躍遷過這個(gè)區(qū)域達(dá)到導(dǎo)帶參與導(dǎo)電，而這個(gè)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(dǎo)體和絕緣體的指標(biāo),。(絕緣體的禁帶寬度~4.5eV，而半導(dǎo)體0.1~2eV) 禁帶寬度里面還有個(gè)詞叫做費(fèi)米能級(jí),，這個(gè)東西要從量子力學(xué)說起,，話說這個(gè)粒子都是一直在那里無規(guī)則熱震動(dòng)的(萬物都是運(yùn)動(dòng)的)，所以它會(huì)在某個(gè)位置或相鄰位置來回運(yùn)動(dòng),，每個(gè)電子都有自己的位置(量子態(tài)),，但每個(gè)位置同時(shí)只有一個(gè)粒子/電子，遵循鮑利不相容原理,。,。。,。,。不說了。太復(fù)雜了,。直接給你個(gè)簡(jiǎn)單的方法記住費(fèi)米能級(jí)位置(多數(shù)載流子位置),，因?yàn)镻型半導(dǎo)體多子為空穴，所以很少電子,，所以導(dǎo)帶很少電子,，所以費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶。而N型半導(dǎo)體多子為電子,，自然占據(jù)了導(dǎo)帶,，所以費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶。 能帶圖在解釋后面的導(dǎo)電特性很有用,，當(dāng)然你也可以用其他方法解釋,，只要行得通，只是最權(quán)威最foundmental的解釋就是能帶,。 轉(zhuǎn)自芯苑網(wǎng) 中國半導(dǎo)體論壇官方微信號(hào)： csf211ic |
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