二極體施與反偏下iD課件

SemiconductorMaterials

andDiodes半導(dǎo)體材料與特性pn接面二極體電路：直流分析與模型二極體電路:交流等效電路其他形式二極體SemiconductorMaterials

andD1半導(dǎo)體材料與特性(1/25)前言最常見的半導(dǎo)體為矽，用在半導(dǎo)體元件及積體電路其他特殊用途的則有砷化鎵及相關(guān)的化合物，用在非常高速元件及光元件半導(dǎo)體原子：質(zhì)子、中子、電子電子能量隨殼層半徑增加而增加價電子：最外層的電子，化學(xué)活性主要由其數(shù)目而定滄海書局2半導(dǎo)體材料與特性(1/25)前言滄海書局2週期表依價電子數(shù)而排列第四族之矽與鍺為元素半導(dǎo)體砷化鎵為三五族的化合物半導(dǎo)體原子、晶格、共價鍵無交互作用之原子(如圖)，靠太近則價電子交互作用形成晶格，此共用之價電子稱為共價鍵因最外邊的價電子仍為可用的，所以可再加入額外原子形成更大的單一晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料與特性(2/25)滄海書局3週期表依價電子數(shù)而排列原子、晶格、共價鍵半導(dǎo)體材料與特性(電子與電洞T=0°K時矽為絕緣體：電子在最低能態(tài)，一個小電場無法使電子移動，因被束縛於所屬的原子增加溫度：價電子得到足夠的熱能Eg(能隙能量)以破壞共價鍵而移出原位，成為晶格內(nèi)的自由電子，且在原位之空能態(tài)為正電荷，此粒子即為電洞半導(dǎo)體材料與特性(3/25)滄海書局4電子與電洞半導(dǎo)體材料與特性(3/25)滄海書局4半導(dǎo)體內(nèi)之電流自由電子流動電洞流：價電子獲得能量而流動至鄰近的的空位如同正電荷反向移動。能隙能量Eg：破壞共價鍵的最低能量能隙能量在3-6eV者為絕緣體，由於室溫之下幾乎沒有自由電子存在，反之為導(dǎo)體半導(dǎo)體的數(shù)量級約為1eV(=1.6×10-19焦耳)半導(dǎo)體材料與特性(4/25)滄海書局5半導(dǎo)體內(nèi)之電流半導(dǎo)體材料與特性(4/25)滄海書局5能帶圖觀念(a)EV為價電帶最高能量EC為導(dǎo)電帶最低能量Eg=EV-EC兩能帶間為禁止能隙電子無法在禁止能隙中存在(b)顯示傳導(dǎo)電子產(chǎn)生過程電子獲得足夠能量從價電帶躍遷到導(dǎo)電帶半導(dǎo)體材料與特性(5/25)滄海書局6能帶圖觀念(a)半導(dǎo)體材料與特性(5/25)滄海書局6本質(zhì)半導(dǎo)體電子及電洞濃度為半導(dǎo)體材料特性之重要參數(shù)，因其直接影嚮電流之大小本質(zhì)半導(dǎo)體無其他物質(zhì)在晶格內(nèi)之單一晶格半導(dǎo)體材料電子與電洞之密度相同，因皆由熱產(chǎn)生本質(zhì)載子濃度B為常數(shù)，與特定之半導(dǎo)體材導(dǎo)有關(guān)Eg與溫度之關(guān)係不重k為Boltzmann常數(shù)=86×10-6eV/°K半導(dǎo)體材料與特性(6/25)滄海書局7本質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(6/25)滄海書局7Example1.1：T=300°K求矽之本質(zhì)載子濃度解：代入公式即可結(jié)果為1.5×1010cm-3，雖不小，但比起原子濃度5×1022cm-3則很小半導(dǎo)體材料與特性(7/25)滄海書局8Example1.1：T=300°K求矽之本質(zhì)載子濃度半外質(zhì)半導(dǎo)體加入雜質(zhì)本質(zhì)半導(dǎo)體的電子電洞濃度相當(dāng)小，僅可有微量電流。適當(dāng)?shù)丶尤肟刂屏康哪承╇s質(zhì)可大為提高。適宜的雜質(zhì)可進(jìn)入晶格取代原來的電子(即使價電子結(jié)構(gòu)不同)，常用雜質(zhì)來自三五族半導(dǎo)體材料與特性(8/25)滄海書局9外質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(8/25)滄海書局9施體雜質(zhì)：貢獻(xiàn)自由電子，如磷常用第五族元素有磷與砷。四個價電子用以滿足共價鍵的要求。第五個價電子則鬆散去束縛在原子上，室溫下可有足夠熱能破壞鍵結(jié)而成自由電子，因而對半導(dǎo)體電流有所貢獻(xiàn)。當(dāng)?shù)谖鍌€價電子移動到導(dǎo)電帶，磷離子則形成帶正電的離子。半導(dǎo)體材料與特性(9/25)滄海書局10施體雜質(zhì)：貢獻(xiàn)自由電子，如磷半導(dǎo)體材料與特性(9/25)滄剩下之原子帶正電荷，但在晶格內(nèi)不可移動，所以對電流無貢獻(xiàn)施體雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，但不產(chǎn)生電洞摻雜：加入雜質(zhì)，控制自由電子(洞)濃度n型半導(dǎo)體：含施體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(10/25)滄海書局11剩下之原子帶正電荷，但在晶格內(nèi)不可移動，所以對電流無貢獻(xiàn)半導(dǎo)受體雜質(zhì)：接受價電子常用第三族元素有硼。三個價電子用在三個共價鍵，剩下一開放的鍵結(jié)位置。室溫下鄰近的價電子可有足夠熱能而離至這個位置，因而產(chǎn)生電洞。剩下之原子帶負(fù)電荷，不可移動，有產(chǎn)生電洞而產(chǎn)生電洞電流。半導(dǎo)體材料與特性(11/25)滄海書局12受體雜質(zhì)：接受價電子半導(dǎo)體材料與特性(11/25)滄海書局受體體雜質(zhì)產(chǎn)生電洞，但不產(chǎn)生電子。p型半導(dǎo)體：含受體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體。外質(zhì)半導(dǎo)體含雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體材料，亦稱摻雜半導(dǎo)體。摻雜過程中可控制以決定材料之導(dǎo)電度及電流。半導(dǎo)體材料與特性(12/25)滄海書局13受體體雜質(zhì)產(chǎn)生電洞，但不產(chǎn)生電子。半導(dǎo)體材料與特性(12/電子電洞之濃度關(guān)係在熱平衡下為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(zhì)載子濃度室溫下每個施(受)體原子產(chǎn)生一個自由電子(電洞)若施(受)體濃度

遠(yuǎn)大於本質(zhì)濃度。

半導(dǎo)體材料與特性(13/25)滄海書局14電子電洞之濃度關(guān)係半導(dǎo)體材料與特性(13/25)滄海書局1多數(shù)及少數(shù)載子：相差數(shù)個階級n型半導(dǎo)體：電子為多數(shù)載子，電洞為少數(shù)載子p型半導(dǎo)體：電洞為多數(shù)載子，電子為少數(shù)載子半導(dǎo)體材料與特性(14/25)滄海書局15多數(shù)及少數(shù)載子：相差數(shù)個階級半導(dǎo)體材料與特性(14/25)Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可考慮在T=300°K下矽被磷摻雜至Nd=1016cm-3

的濃度。請記得例1.1中ni=1.5×1010cm-3解：因Nd＞＞ni，電子濃度為而電洞濃度變?yōu)榘雽?dǎo)體材料與特性(15/25)滄海書局16Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可漂移與擴(kuò)散兩種導(dǎo)致電子電洞(統(tǒng)稱載子)在半導(dǎo)體內(nèi)移動之程序漂移：由電場引起擴(kuò)散：由濃度改變(濃度梯度)所引起梯度的成因可為非均勻摻雜分佈或在某區(qū)注入某量的電子或電洞漂移---假設(shè)給半導(dǎo)體一個電場，此場產(chǎn)生力量作用在自由電子及電洞而產(chǎn)生漂移速度與移動半導(dǎo)體材料與特性(16/25)滄海書局17漂移與擴(kuò)散半導(dǎo)體材料與特性(16/25)滄海書局17n型半導(dǎo)體：電場方向與對電子產(chǎn)生之力量反向漂移速度

，負(fù)號表電場相反方向為電子遷移率，可想成電子在半導(dǎo)體內(nèi)移動效果的參數(shù)。低摻雜矽之典型值為1350(cm2/V-s)漂移電流密度n是電子濃度(個/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電子流反向，但與電場同向半導(dǎo)體材料與特性(17/25)滄海書局18n型半導(dǎo)體：電場方向與對電子產(chǎn)生之力量反向半導(dǎo)體材料與特性p型半導(dǎo)體：電場方向與對電洞產(chǎn)生之力量同向漂移速度

，正號表相同方向為電洞遷移率，低摻雜矽之典型值為480(cm2/V-s)，略小於一半的電子遷移率漂移電流密度p是電洞濃度(個/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電場與電洞流同向半導(dǎo)體材料與特性(18/25)滄海書局19p型半導(dǎo)體：電場方向與對電洞產(chǎn)生之力量同向半導(dǎo)體材料與特性總漂移電流密度：半導(dǎo)體有電子及電洞

為半導(dǎo)體的導(dǎo)電度與電子電洞之濃度有關(guān)，單位為(-cm)-1。製成時選擇摻雜可控制導(dǎo)電度。

,ρ為電阻率，單位為(-cm)

?？煽闯闪硪恍问降臍W姆定律。半導(dǎo)體材料與特性(19/25)滄海書局20總漂移電流密度：半導(dǎo)體有電子及電洞半導(dǎo)體材料與特性(19/Example1.3：求漂移電流密度考慮在T=300°K下之矽摻雜濃度Nd=8*1015cm-3的砷原子。假設(shè)遷移率各為

與

。且外加電場為100V/cm。解：由例1.1之結(jié)果知，室溫下矽之ni=1.5×1010cm-3。所以，從(1.9)式得半導(dǎo)體材料與特性(20/25)滄海書局21Example1.3：求漂移電流密度半導(dǎo)體材料與特性(2由於兩種載子的濃度有很大的差異，因此導(dǎo)電度可簡化為或漂移電流可為半導(dǎo)體材料與特性(21/25)滄海書局22由於兩種載子的濃度有很大的差異，因此導(dǎo)電度可簡化為半導(dǎo)體材料擴(kuò)散：粒子由高濃度向低濃度流動是一種統(tǒng)計現(xiàn)象，與動力學(xué)理論有關(guān)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(jìng)結(jié)果是高濃度粒子往低濃度流電子擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dn為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向為正X軸方向半導(dǎo)體材料與特性(22/25)滄海書局23擴(kuò)散：粒子由高濃度向低濃度流動半導(dǎo)體材料與特性(22/25電洞擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dp為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向為負(fù)X軸方向愛因斯坦方程式擴(kuò)散現(xiàn)象的擴(kuò)散係數(shù)與漂移現(xiàn)象的遷移率兩者間的關(guān)係總電流密度：漂移與擴(kuò)散兩成份之總和通常僅其中一項主導(dǎo)半導(dǎo)體材料與特性(23/25)滄海書局24電洞擴(kuò)散方向與電流方向：半導(dǎo)體材料與特性(23/25)滄海多出載子半導(dǎo)體元件(熱)平衡的消失供給電壓，或有電流存在時若價電子與照入之光子交互作用，可能獲得足夠的能量以破壞共價鍵，而產(chǎn)生電子電洞對增加的電子電洞即多出電子及多出電洞電子(電洞)濃度：

為多出電子(電洞)濃度為熱平衡下的電子(電洞)濃度半導(dǎo)體材料與特性(24/25)滄海書局25多出載子半導(dǎo)體材料與特性(24/25)滄海書局25穩(wěn)態(tài)：載子不會無限增加電子電洞復(fù)合過程：自由電子與電洞復(fù)合多出載子生命期：多出電子與電洞復(fù)合前存在的平均時間半導(dǎo)體材料與特性(25/25)滄海書局26穩(wěn)態(tài)：載子不會無限增加半導(dǎo)體材料與特性(25/25)滄海書PN接面(1/22)前言pn接面：半導(dǎo)體電子學(xué)的真正威力所在在多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用中，整個半導(dǎo)體材料是單一晶格，一區(qū)摻雜成p型，相鄰區(qū)則摻雜成n型平衡的PN接面摻雜分佈及冶金接面---(b)圖的x=0的介面滄海書局27PN接面(1/22)前言滄海書局27在合金接面處最初電子電洞到對邊材料之?dāng)U散梯度最大從p區(qū)的電洞流使帶負(fù)電荷的受體離子裸露從n區(qū)的電子流使帶正電荷的施體離子裸露在此區(qū)域造成正負(fù)電離子分離空間，形成內(nèi)部電場擴(kuò)散之終止：若無外加電壓，引發(fā)之電場會使擴(kuò)散停止，而達(dá)到熱平衡治金接面跨此接面電子電洞皆有很大的濃度梯度PN接面(2/22)滄海書局28在合金接面處治金接面PN接面(2/22)滄海書局28空乏區(qū)(空間電荷區(qū))：上述正負(fù)離子所存在的區(qū)域此區(qū)域內(nèi)無可移動之電子或電洞內(nèi)建電位障：在p(n)區(qū)受(施)體濃度VT：熱電位，室溫T=300oK約為0.026V因?qū)?shù)函數(shù)，Vbi與摻雜濃度關(guān)係不重，一般矽的pn接面的Vbi約為下例題所求值附近0.1-0.2V之間無法以電壓計量得，因探針與半導(dǎo)體會形成新的電位障保持平衡下，此電位未產(chǎn)生電流PN接面(3/22)滄海書局29空乏區(qū)(空間電荷區(qū))：PN接面(3/22)滄海書局29Example1.5

求內(nèi)建電位障?？紤]在T=300°K下之矽pn接面，p區(qū)摻雜至Na=1016cm-3

而n區(qū)摻雜至Nd=1017cm-3解：隨例題1-1可發(fā)現(xiàn)在室溫下，矽的本質(zhì)載子濃度約為帶入公式可求得PN接面(4/22)滄海書局30Example1.5求內(nèi)建電位障。PN接面(4/22)反偏下的PN接面特性正電壓接在N區(qū)外加電壓所形成電場EA的方向與空乏區(qū)電場方向相同使P(N)區(qū)的電洞(電子)向外側(cè)電路推回PN接面無載子流過所以反偏下無電流產(chǎn)生因空間電荷區(qū)的電場增加，正負(fù)離子電荷也增加，在摻雜濃度不變下，空間電荷區(qū)的寬度會增加PN接面(5/22)滄海書局31反偏下的PN接面PN接面(5/22)滄海書局31接面電容(空乏層電容)Cj0為無施加電壓時之接面電容因額外空乏區(qū)的正負(fù)離子電荷隨反偏而增加值常在或低於pF，隨反向偏壓增加而減少，最大電場發(fā)生在冶金接面不論空間電荷區(qū)之電層或施加的反偏電壓不可能無限增加，因在某個點即發(fā)生崩潰而產(chǎn)生極大的反偏電流。接面電容將影響PN接面開關(guān)的特性PN接面(6/22)滄海書局32接面電容(空乏層電容)PN接面(6/22)滄海書局32Example1-6考慮在T=300°K下具Na=1016cm-3及Na=1016cm-3摻雜的矽pn接面。設(shè)Na=1016cm-3且Cjo=0.5PF。計算VR=1V及VR=5V下之接面電容。解：內(nèi)建電位由下決定VR=1V與VR=5V時的電容各為PN接面(7/22)滄海書局33Example1-6考慮在T=300°K下具Na=1順偏下的PN接面：順向偏壓使電位障下降施加電壓所導(dǎo)致的施加電場與熱平衡的空間電荷區(qū)的電場反向，所以總電場小於熱平衡值順偏電流：電子(電洞)由n至p(p至n)因施加電電場破壞了原來擴(kuò)散與E場力間的平衡順向偏壓需小於內(nèi)建電位障PN接面(8/22)滄海書局34順偏下的PN接面：PN接面(8/22)滄海書局34順向電流的穩(wěn)態(tài)條件多數(shù)載子電子(電洞)從N(P)區(qū)擴(kuò)散到對向P(N)區(qū)進(jìn)入對向區(qū)的主要載子成為此區(qū)的少數(shù)載子在空乏區(qū)邊緣的少數(shù)載子濃度分佈增加多出的少數(shù)載子擴(kuò)散至P-與N-中性區(qū)與此區(qū)的主要載子複合PN接面(9/22)滄海書局35順向電流的穩(wěn)態(tài)條件PN接面(9/22)滄海書局35理想電壓與電流關(guān)係IS為反向飽和電流，與摻雜濃度及接面截面積有關(guān)。對矽的PN接面而言，其值在10-15至10-13AVT為熱電壓，室溫下約為0.026Vn為放射係數(shù)或理想因子，介於1至2間(通常用1)與空乏區(qū)的電子電洞結(jié)合有關(guān)小電流時複合電流主宰，值會接近2大電流時複合電流影響不大，值則接近1PN接面(10/22)滄海書局36理想電壓與電流關(guān)係PN接面(10/22)滄海書局36Example1.7考慮一在T=300°K下之矽PN接面，其Is=10-14A且n=1。求vD=+0.70V及vD=-0.70V時之二極體電流。解：vD=+0.70V時，pn接面乃順向偏壓，可得

vD=-0.70V時，pn接面乃反向偏壓，可得PN接面(11/22)滄海書局37Example1.7考慮一在T=300°K下之矽PN接PN接面二極體PN接面之電流-電壓特性小量順向偏壓的改變，順向電流便增加好幾個數(shù)量級順向偏壓大於0.1V則公式內(nèi)之-1項可略去線性座標(biāo)軸對數(shù)座標(biāo)軸PN接面(12/22)滄海書局38PN接面二極體線性座標(biāo)軸對數(shù)座標(biāo)軸PN接面(12/22)滄PN接面二極體：電壓控制的開關(guān)反向偏壓時為關(guān)，只有非常小量之電流順向偏壓時為開，只要相當(dāng)小的施加電壓便產(chǎn)生相當(dāng)大的電流反向飽和電流：反偏至少0.1V時，電流為-IS，為反向且定值，故稱反向飽和電流，典型值在10-14A產(chǎn)生電流：實際的反偏電流較大，多出的電流是由於在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子及電洞。典型反向偏壓電流為10-9A(1nA)PN接面(13/22)滄海書局39PN接面二極體：電壓控制的開關(guān)PN接面(13/22)滄海書溫度效應(yīng)給定一電流，溫度增加則要求的反向偏壓減少VT為溫度之函數(shù)，對矽二極體而言約為2mV/oCIS為本質(zhì)載子濃度ni之函數(shù)，所以與溫度強(qiáng)烈有關(guān)理論上每增5oC，IS約變?yōu)殡p倍真正反偏二極體電流一般是每增

10oC則變雙倍(含VT之影響)鍺二極體的ni相對較大，所以有較大的反向飽和電流，因此溫度增加而使反向電流增加，此不利於多數(shù)電路應(yīng)用PN接面(14/22)滄海書局40溫度效應(yīng)PN接面(14/22)滄海書局40崩潰電壓現(xiàn)象夠大的反偏電壓在空乏區(qū)形成夠大的電場，使得共價鍵得以被打斷，而形成電子電洞對。電子(電洞)被電場掃掃至n(p)區(qū)，而形成反偏電流崩潰電流可被外部電路或因高功率燒毀而限定 崩潰電壓與製成參數(shù)有關(guān)，約在50-200VPIV反向電壓尖值：若要避免崩潰則不可超過此值PN接面(15/22)滄海書局41崩潰電壓PN接面(15/22)滄海書局41雪崩崩潰：少數(shù)載子越過空間電荷區(qū)，得到足夠的動能而在移動過程中獲得電場能量，並在遷移過程中再度撞擊破壞共價鍵。產(chǎn)生的電子電洞對又再形成更多次的碰撞，所以引發(fā)雪崩過程雪崩崩潰與摻雜濃度有關(guān)係濃度越高雪崩崩潰電壓越小⊕?⊕?⊕?⊕?⊕?(1)(2)(3)(4)(5)PN接面(16/22)滄海書局42雪崩崩潰：⊕?⊕?⊕?⊕?⊕?(1)(2)(3)(4)(5)齊納(Zener)效應(yīng)：大量載子穿透(tunneling)PN接面的行為最常發(fā)生在非常高摻雜濃度的接面一般齊納崩潰電壓大多發(fā)生在反偏5V以內(nèi)PN接面(17/22)滄海書局43齊納(Zener)效應(yīng)：PN接面(17/22)滄海書局43切換暫態(tài)：二極體由一狀態(tài)切換至另一狀態(tài)之速度及特性“關(guān)閉”暫態(tài)反應(yīng)：順偏的”開”切換到反偏的”關(guān)”t<0,PN接面(18/22)滄海書局44切換暫態(tài)：PN接面(18/22)滄海書局44因順向偏壓與反向偏壓時在半導(dǎo)體內(nèi)之少數(shù)載子數(shù)不同當(dāng)二極體從順偏切換到反偏後後需要時間移走或移入這些差距當(dāng)順向偏壓移走時，相當(dāng)大的擴(kuò)散電流在反偏方向產(chǎn)生主要原因是多出的少數(shù)載子之回流PN接面(19/22)滄海書局45因順向偏壓與反向偏壓時在半導(dǎo)體內(nèi)之少數(shù)載子數(shù)不同PN接面(大的反偏電流起初由RR所限，約為接面電容無法使接面電壓瞬間改變瞬間反偏電流IR在0+<t<tS

為常數(shù)

儲存時間ts：在空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載子濃度達(dá)到熱平衡的時間掉落時間tf：初始電流落至初值的10%所需時間PN接面(20/22)滄海書局46大的反偏電流起初由RR所限，約為PN接面(20/22)滄海關(guān)閉時間：tf+tS

切換時間的快慢將會影響電腦的運算速度為使二極體切換快速，二極體必須具備較少的少數(shù)多出少數(shù)載子生命期切換速度會影響計算機(jī)的速度為快速切換二極體，二極體需有較短的多出少數(shù)載子生命期且我們需提供大的反向電流脈衝PN接面(21/22)滄海書局47關(guān)閉時間：tf+tSPN接面(21/22)滄海書局導(dǎo)通的暫態(tài)：由反偏的“off”切換至順偏的“on”導(dǎo)通時間：建立順偏少數(shù)載子分佈的時間。在這時間內(nèi)，接面的電壓漸增至穩(wěn)態(tài)。一般小於關(guān)閉時間。PN接面(22/22)滄海書局48導(dǎo)通的暫態(tài)：PN接面(22/22)滄海書局48二極體電路：DC分析與模型(1/13)前言二極體的I-V特性為非線性可用在由弦波產(chǎn)生直流及一些邏輯函數(shù)理想二極體(如圖)指如非I-V之二極體等式及I-V特性iD=0,二極體施與反偏下iD

>0,vD~0,二極體施與順偏下滄海書局49二極體電路：DC分析與模型(1/13)前言滄海書局49整流器電路：產(chǎn)生直流的第一步輸入正弦波正半週”導(dǎo)通”iD存在，vD~0vO=vI負(fù)半週關(guān)閉二極體如同開路iD=0，vO=0輸出結(jié)果

=0，>0二極體電路：DC分析與模型(2/13)滄海書局50整流器電路：產(chǎn)生直流的第一步二極體電路：DC分析與模型(2二極體電路直流分析的四種進(jìn)行方式疊代法圖解技巧片段線性模型法電腦分析二極體電路：DC分析與模型(3/13)滄海書局51二極體電路直流分析的四種進(jìn)行方式二極體電路：DC分析與模型疊代法與圖解分析技巧疊代即使用嘗試錯誤來找解圖解分析則是畫出兩個聯(lián)立方程式找交點圖例：由Kirchhoff電壓定律因，則其中僅VD未知，所以疊代求VD二極體電路：DC分析與模型(4/13)滄海書局52疊代法與圖解分析技巧二極體電路：DC分析與模型(4/13)Example1.8：求VD及ID。設(shè)二極體之反向飽和電流為Is=10-13A解：我們可寫下關(guān)係式為如果我們首先試VD=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?.7V，所以方程式不平衡，必須再試。如果我們試VD=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?5.1V。方程式又不平衡，必須再試。

二極體電路：DC分析與模型(5/13)滄海書局53Example1.8：求VD及ID。設(shè)二極體之反向飽和電流但我們看得出來，VD之解應(yīng)在0.6及0.65V之間。如果我們繼續(xù)嘗試錯誤，我們可以證實當(dāng)VD=0.619V時，關(guān)係式式右手邊變?yōu)?.99V，此值基本上已與方程式左手邊之值(5V)相等。把跨於電阻上之電壓降除以電阻值即可得出此電路之電流，即可得出此電路之電流，即二極體電路：DC分析與模型(6/13)滄海書局54但我們看得出來，VD之解應(yīng)在0.6及0.65V之間。二極體電圖解法：畫出負(fù)載線及二極體的I-V特性曲線由克希荷夫電壓定律在給定VPS

與R後，ID

對VD

為線性關(guān)係。所畫出來的線稱為負(fù)載線ID

=0,可得VD=VPS

的水平軸交點VD=0,可得ID

=VPS/R的垂直軸交點靜態(tài)點(Q點)：兩線之交會，即其解此法麻煩，但提供電路響應(yīng)之觀看。二極體電路：DC分析與模型(7/13)滄海書局55圖解法：二極體電路：DC分析與模型(7/13)滄海書局55片段線性模型使用兩個線性近似VD

≧Vr

,一條線性斜率為1/rf的直線rf為二極體順向電阻；Vr為導(dǎo)通或稱切入電壓如同一個Vr電壓源與一個rf電阻串聯(lián)的線性近似二極體電路：DC分析與模型(8/13)滄海書局56片段線性模型二極體電路：DC分析與模型(8/13)滄海書局假設(shè)rf=0VD<Vr

,為一條平行VD軸而無電流的直線近似等效電路如同開路若rf

=0,二極體片段線性模型電路如下圖所示二極體電路：DC分析與模型(9/13)滄海書局57假設(shè)VD<Vr,為一條平行VD軸而無電流的直線近似二極Example1.9：求二極體之電壓、電流與散逸功率。。設(shè)二極體片段線性模型的參數(shù)為Vr=0.6V與rf=10Ω解：由所給定之輸入電壓極性指向可知，二極體乃順向偏壓或〝導(dǎo)通〞，故ID＞0。等效電路如圖1.27(a)所示。二極體電流由下式?jīng)Q定而二極體電壓為二極體電路：DC分析與模型(10/13)滄海書局58Example1.9：求二極體之電壓、電流與散逸功率。。設(shè)二極體散逸功率可由求得rf一般甚小於R，所以對ID影響小，可忽略不計Vr用0.7V所求得的ID為2.15mAID

不與Vr一有很強(qiáng)的關(guān)連性一般矽二極體用0.7V二極體電路：DC分析與模型(11/13)滄海書局59二極體散逸功率可由二極體電路：DC分析與模型(11/13)負(fù)載線與片段線性模型之組合假設(shè)Vr=0.7V，rf=0，VPS=+5VQ點只與VPS(橫軸交點)及R(橫軸對縱軸交點比)有關(guān)相同二極體的片段線性模型下A：VPS=5VR=2kΩB：VPS=5VR=4kΩC：VPS

=2.5VR=2kΩD：VPS

=2.5VR=4kΩSlope=-1/R二極體電路：DC分析與模型(12/13)滄海書局60負(fù)載線與片段線性模型之組合Slope=-1/R二極體電路：D反向偏壓時(注意方向)由克希荷夫電壓定律

分別令I(lǐng)D=0，VD=0可得兩端點而畫出負(fù)載線負(fù)載線在第三象限，交點在VD=-5V及ID=0負(fù)載線二極體電路：DC分析與模型(13/13)滄海書局61反向偏壓時(注意方向)負(fù)載線二極體電路：DC分析與模型(1二極體電路：AC等效電路(1/8)前言當(dāng)半導(dǎo)體元件使用在線性放大器電路時，ac的特性變得重要，那弦波訊號會重疊在dc上弦波分析vi是弦波(時變)訊號總輸入vI由dcVPS加上acvi電路分析：分成dc分析及ac分析此非實際電路，只為說明方便，所以把dc與ac分開tVDtVDvD(t)滄海書局62二極體電路：AC等效電路(1/8)前言tVDtVDvD(tCurrent-voltagerelationships電流電壓皆是ac疊加在dc上假設(shè)ac成份之於dc成份夠小，所以可從非線性二極體發(fā)展一線性ac模型

若ac訊號夠小，則vd<<VT，則

DQ指二極體dc靜態(tài)二極體電路：AC等效電路(2/8)滄海書局63Current-voltagerelationshipsD小訊號增量(擴(kuò)散)電導(dǎo)gd與電阻rd

或則增量電阻是dc偏壓電流IDQ之函數(shù)且與I-V特性曲線之斜率(增量電導(dǎo))成反比電路分析電路分析時，我們先用分析直流電路再分析交電路dc順偏下使用片段線性模型ac順偏下則使用增量電阻等式二極體電路：AC等效電路(3/8)滄海書局64小訊號增量(擴(kuò)散)電導(dǎo)gd與電阻rdExample1.9

分析下圖電路。假設(shè)電路及二極體之參數(shù)為Vps=5V，R=5kΩ，Vr=0.6V及vi=0.1sinωt(V)解：將分析分為兩部分：直流分析及交流分析。在直流分析時：令vi=0然後求直流靜態(tài)電流為輸出電壓之直流值為

二極體電路：AC等效電路(4/8)滄海書局65Example1.9分析下圖電路。假設(shè)電路及二極體之參數(shù)在交流分析時，我們僅考慮交流訊號及參數(shù)。亦即，我們實效上令VPS=0。交流KVL方程式變?yōu)樵诖藃d

為小訊號二極體擴(kuò)散電阻。從公式我們得二極體交流電流為輸出電壓為二極體電路：AC等效電路(5/8)滄海書局66在交流分析時，我們僅考慮交流訊號及參數(shù)。亦即，我二極體電路：頻率響應(yīng)ac訊號頻率與電路之電容效應(yīng)(擴(kuò)散電容)間的關(guān)係前面分析假設(shè)頻率很小，電容效應(yīng)可以忽略。當(dāng)頻率增加，順偏之?dāng)U散電容變得重要。右圖為少數(shù)載子電洞濃度分布在VDQ偏壓下，pn\VDQ實線在VDQ

+△V偏壓下，pn\VDQ+△V虛線在VDQ

-△V偏壓下，pn\VDQ-△V虛線二極體電路：AC等效電路(6/8)滄海書局67頻率響應(yīng)二極體電路：AC等效電路(6/8)滄海書局67在+△V與-△V的壓差之下，在PN接面間有+△Q的電荷變化量。擴(kuò)散電容

，是由於順偏電壓改變下少數(shù)載子的電荷改變量所造成的結(jié)果。擴(kuò)散電容一般大於接面電容，是由於少數(shù)載子電荷量隨偏壓改變所影響較大。二極體電路：AC等效電路(7/8)滄海書局68在+△V與-△V的壓差之下，在PN接面間有+△Q的電荷變化Small-signalequivalentcircuit電導(dǎo)納gd：擴(kuò)散電導(dǎo)Cd：擴(kuò)散電容Cj

並聯(lián)擴(kuò)散電阻rd與Cd串聯(lián)電阻：N-與P-區(qū)有限電阻，有摻雜但傳導(dǎo)率非無窮大。小訊號等效電路用來發(fā)展電晶體的

小訊號模型，用在電晶體放大器的

分析設(shè)計上簡易版完整版二極體電路：AC等效電路(8/8)滄海書局69Small-signalequivalentcircui其他形式的二極體(1/13)太陽能電池---將光能轉(zhuǎn)為電能太陽能電池為PN接面元件，無需供給電壓光擊在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子電洞被電場快速分離且掃出而形成光電流在電阻R產(chǎn)生壓降即供應(yīng)電力可由矽、砷化鎵或其他三五族複合半導(dǎo)體材料所製滄海書局70其他形式的二極體(1/13)太陽能電池---滄海書局70光檢測器---將光的訊號轉(zhuǎn)為電的訊號類似太陽能電池，但工作在反向偏壓射入光子或光波產(chǎn)生多出電子電洞在空間電荷區(qū)被電場快速分離且掃出而形成光電流光電流大小正比於射入光子通量其他形式的二極體(2/13)滄海書局71光檢測器---其他形式的二極體(2/13)滄海書局71發(fā)光二極體---轉(zhuǎn)電流成光順偏時電子電洞越過空間電荷區(qū)到另一區(qū)

成為多出少數(shù)載子與多數(shù)載子重組若半導(dǎo)體為直接能隙材料，如砷化鎵，結(jié)合時動量不變且射出光子或光波若半導(dǎo)體為間接能隙材料，如矽，結(jié)合時動量與能量均需守恆，則不太可能射出光子或光波其他形式的二極體(3/13)滄海書局72發(fā)光二極體---其他形式的二極體(3/13)滄海書局72LED的電流IF正比於重組率輸出光的強(qiáng)度正比於二極體電流單石陣列的LED用來顯示數(shù)字及字母雷射二極體：將光學(xué)共振腔整合到LED，產(chǎn)生非常窄頻的同調(diào)光子輸出光纖系統(tǒng)：如圖，LED與光二極體結(jié)合光纖對某特定波長吸收係數(shù)很低其他形式的二極體(4/13)滄海書局73LED的電流IF正比於重組率其他形式的二極體(4/13)滄Schottkybarrierdiode金屬(如鋁)與中度摻雜的n型半導(dǎo)體

I-V特性與PN接面半導(dǎo)體類似有兩點不同：電流機(jī)制不同：PN接面的電流由少數(shù)載子擴(kuò)散所控制蕭基二極體則是多數(shù)載子越過冶金接面而造成所以無少數(shù)載子之囤積故由順向切至反向很快，幾無儲存時間其他形式的二極體(5/13)滄海書局74Schottkybarrierdiode其他形式的二極體Schottky反向飽和電流較大意味著相同順向偏壓時相同面積的蕭基二極體的電流較大導(dǎo)通電壓也較小利用片段連續(xù)模型時，與PN接面二極體相比較，

Schottky二極體有較小的導(dǎo)通電壓Vr。其他形式的二極體(6/13)滄海書局75Schottky反向飽和電流較大其他形式的二極體(6/13Example1.12

Pn接面與Schottky二極體的反向飽和電流各為IS=10-12Aand10-8A,推算出1mA所需的二極體電壓各為多少？解：可由二極體電流電壓公式可推得二極體電壓為其他形式的二極體(7/13)滄海書局76Example1.12Pn接面與Schottky二極體的PN二極體電壓為Schottky二極體電壓為由於Schottky二極體的反向飽和電流Is

相較PN接面二極體大，因此較小的接面壓降就可以獲得需要的電流其他形式的二極體(8/13)滄海書局77PN二極體電壓為其他形式的二極體(8/13)滄海書局77另一種金屬-半導(dǎo)體接面歐姆接點---電流可以雙向?qū)ń饘倥c重度摻雜的半導(dǎo)體接觸形成歐姆接點歐姆接點壓降小歐姆接點常用來做IC內(nèi)半導(dǎo)體元件間的連線，或?qū)C連接到外部的端子。其他形式的二極體(9/13)滄海書局78另一種金屬-半導(dǎo)體接面其他形式的二極體(9/13)滄海書局齊納二極體崩潰電壓：二極體崩潰在某個反偏壓的電壓值下，使得元件的反偏電流急增。齊納二極體設(shè)計製造以提供特定的崩潰電壓IZ大電流有大功率消耗而有過熱效應(yīng)使二極體損壞其他形式的二極體(10/13)滄海書局79齊納二極體其他形式的二極體(10/13)滄海書局79限制齊納二極體的運作在崩潰區(qū)，其電流在元件容忍範(fàn)圍用以在電路中當(dāng)固定電壓參考增量電阻rz很小，約幾到幾十歐姆符號：VZ為齊納崩潰電壓，IZ為工作在

崩潰區(qū)的反向電流其他形式的二極體(11/13)滄海書局80限制齊納二極體的運作在崩潰區(qū)，其電流在元其他形式的二極體(Example1.13

考慮圖1.41所示之電路。設(shè)齊納二極體崩潰電壓Vz=5.6V，而齊納電阻rz=0。求所需`之電阻值R以將電流限制在I=3mA。解：如以往一樣，我們可由跨於R兩端之電壓差除以電阻值而求出電流。即，故電阻即為其他形式的二極體(12/13)滄海書局81Example1.13考慮圖1.41所示之電路。設(shè)齊納二ThepowerdissipatedintheZenerdiodeisTheZenerdiodemustbeabletodissipate16.8mWofpowerwithoutbeingdamaged.其他形式的二極體(13/13)滄海書局82ThepowerdissipatedintheZe應(yīng)用設(shè)計:二極體溫度計(1/4)規(guī)格：量側(cè)溫度範(fàn)圍為0到100℉設(shè)計原理：我們利用二極體在給一定電流下，溫度對二極體順向偏壓的變化量為一固定函數(shù)的特性(圖1.20)。利用二極體公式：解：圖中我們設(shè)T=300K時IS=10-13A且可知IS正比於ni2

而忽略I-V關(guān)係中(-1)的項，則

滄海書局83應(yīng)用設(shè)計:二極體溫度計(1/4)規(guī)格：量側(cè)溫度範(fàn)圍為0到10所以我們利用不同溫度下的二極體電流去定義溫度,如下公式：其中VD1、VD2分別為溫度T1T2時的二極體壓降而二極體的電流在不同電壓下為常數(shù),所以移項得2邊取自然對數(shù)且把

代入得應(yīng)用設(shè)計:二極體溫度計(2/4)滄海書局84所以我們利用不同溫度下的二極體電流去定義溫度,如下公式：應(yīng)用利用二極體公式求出T1=300K下的VD1:結(jié)果可得VD1=0.5976V和ID=0.96mA由(1)代入T1=300K(T為待測的溫度)得:應(yīng)用設(shè)計:二極體溫度計(3/4)滄海書局85利用二極體公式求出T1=300K下的VD1:應(yīng)用設(shè)計:二極由圖中可知在T=300K時VD=0.598V,當(dāng)溫度升至T=310.8K時VD=0.579V,因為溫度和電壓變化量呈線性,所以我們可以推論出下圖在0到100℉時的VD電壓結(jié)論:我們可知當(dāng)溫度改變使的VD電壓變化0.1V時,電流的變化量約原本的67%,我們可以設(shè)計一OPA電路去讀取電壓變化量來顯示溫度應(yīng)用設(shè)計:二極體溫度計(4/4)滄海書局86由圖中可知在T=300K時VD=0.598V,當(dāng)溫SemiconductorMaterials

andDiodes半導(dǎo)體材料與特性pn接面二極體電路：直流分析與模型二極體電路:交流等效電路其他形式二極體SemiconductorMaterials

andD87半導(dǎo)體材料與特性(1/25)前言最常見的半導(dǎo)體為矽，用在半導(dǎo)體元件及積體電路其他特殊用途的則有砷化鎵及相關(guān)的化合物，用在非常高速元件及光元件半導(dǎo)體原子：質(zhì)子、中子、電子電子能量隨殼層半徑增加而增加價電子：最外層的電子，化學(xué)活性主要由其數(shù)目而定滄海書局88半導(dǎo)體材料與特性(1/25)前言滄海書局2週期表依價電子數(shù)而排列第四族之矽與鍺為元素半導(dǎo)體砷化鎵為三五族的化合物半導(dǎo)體原子、晶格、共價鍵無交互作用之原子(如圖)，靠太近則價電子交互作用形成晶格，此共用之價電子稱為共價鍵因最外邊的價電子仍為可用的，所以可再加入額外原子形成更大的單一晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料與特性(2/25)滄海書局89週期表依價電子數(shù)而排列原子、晶格、共價鍵半導(dǎo)體材料與特性(電子與電洞T=0°K時矽為絕緣體：電子在最低能態(tài)，一個小電場無法使電子移動，因被束縛於所屬的原子增加溫度：價電子得到足夠的熱能Eg(能隙能量)以破壞共價鍵而移出原位，成為晶格內(nèi)的自由電子，且在原位之空能態(tài)為正電荷，此粒子即為電洞半導(dǎo)體材料與特性(3/25)滄海書局90電子與電洞半導(dǎo)體材料與特性(3/25)滄海書局4半導(dǎo)體內(nèi)之電流自由電子流動電洞流：價電子獲得能量而流動至鄰近的的空位如同正電荷反向移動。能隙能量Eg：破壞共價鍵的最低能量能隙能量在3-6eV者為絕緣體，由於室溫之下幾乎沒有自由電子存在，反之為導(dǎo)體半導(dǎo)體的數(shù)量級約為1eV(=1.6×10-19焦耳)半導(dǎo)體材料與特性(4/25)滄海書局91半導(dǎo)體內(nèi)之電流半導(dǎo)體材料與特性(4/25)滄海書局5能帶圖觀念(a)EV為價電帶最高能量EC為導(dǎo)電帶最低能量Eg=EV-EC兩能帶間為禁止能隙電子無法在禁止能隙中存在(b)顯示傳導(dǎo)電子產(chǎn)生過程電子獲得足夠能量從價電帶躍遷到導(dǎo)電帶半導(dǎo)體材料與特性(5/25)滄海書局92能帶圖觀念(a)半導(dǎo)體材料與特性(5/25)滄海書局6本質(zhì)半導(dǎo)體電子及電洞濃度為半導(dǎo)體材料特性之重要參數(shù)，因其直接影嚮電流之大小本質(zhì)半導(dǎo)體無其他物質(zhì)在晶格內(nèi)之單一晶格半導(dǎo)體材料電子與電洞之密度相同，因皆由熱產(chǎn)生本質(zhì)載子濃度B為常數(shù)，與特定之半導(dǎo)體材導(dǎo)有關(guān)Eg與溫度之關(guān)係不重k為Boltzmann常數(shù)=86×10-6eV/°K半導(dǎo)體材料與特性(6/25)滄海書局93本質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(6/25)滄海書局7Example1.1：T=300°K求矽之本質(zhì)載子濃度解：代入公式即可結(jié)果為1.5×1010cm-3，雖不小，但比起原子濃度5×1022cm-3則很小半導(dǎo)體材料與特性(7/25)滄海書局94Example1.1：T=300°K求矽之本質(zhì)載子濃度半外質(zhì)半導(dǎo)體加入雜質(zhì)本質(zhì)半導(dǎo)體的電子電洞濃度相當(dāng)小，僅可有微量電流。適當(dāng)?shù)丶尤肟刂屏康哪承╇s質(zhì)可大為提高。適宜的雜質(zhì)可進(jìn)入晶格取代原來的電子(即使價電子結(jié)構(gòu)不同)，常用雜質(zhì)來自三五族半導(dǎo)體材料與特性(8/25)滄海書局95外質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(8/25)滄海書局9施體雜質(zhì)：貢獻(xiàn)自由電子，如磷常用第五族元素有磷與砷。四個價電子用以滿足共價鍵的要求。第五個價電子則鬆散去束縛在原子上，室溫下可有足夠熱能破壞鍵結(jié)而成自由電子，因而對半導(dǎo)體電流有所貢獻(xiàn)。當(dāng)?shù)谖鍌€價電子移動到導(dǎo)電帶，磷離子則形成帶正電的離子。半導(dǎo)體材料與特性(9/25)滄海書局96施體雜質(zhì)：貢獻(xiàn)自由電子，如磷半導(dǎo)體材料與特性(9/25)滄剩下之原子帶正電荷，但在晶格內(nèi)不可移動，所以對電流無貢獻(xiàn)施體雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，但不產(chǎn)生電洞摻雜：加入雜質(zhì)，控制自由電子(洞)濃度n型半導(dǎo)體：含施體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料與特性(10/25)滄海書局97剩下之原子帶正電荷，但在晶格內(nèi)不可移動，所以對電流無貢獻(xiàn)半導(dǎo)受體雜質(zhì)：接受價電子常用第三族元素有硼。三個價電子用在三個共價鍵，剩下一開放的鍵結(jié)位置。室溫下鄰近的價電子可有足夠熱能而離至這個位置，因而產(chǎn)生電洞。剩下之原子帶負(fù)電荷，不可移動，有產(chǎn)生電洞而產(chǎn)生電洞電流。半導(dǎo)體材料與特性(11/25)滄海書局98受體雜質(zhì)：接受價電子半導(dǎo)體材料與特性(11/25)滄海書局受體體雜質(zhì)產(chǎn)生電洞，但不產(chǎn)生電子。p型半導(dǎo)體：含受體雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體。外質(zhì)半導(dǎo)體含雜質(zhì)原子之半導(dǎo)體材料，亦稱摻雜半導(dǎo)體。摻雜過程中可控制以決定材料之導(dǎo)電度及電流。半導(dǎo)體材料與特性(12/25)滄海書局99受體體雜質(zhì)產(chǎn)生電洞，但不產(chǎn)生電子。半導(dǎo)體材料與特性(12/電子電洞之濃度關(guān)係在熱平衡下為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(zhì)載子濃度室溫下每個施(受)體原子產(chǎn)生一個自由電子(電洞)若施(受)體濃度

遠(yuǎn)大於本質(zhì)濃度。

半導(dǎo)體材料與特性(13/25)滄海書局100電子電洞之濃度關(guān)係半導(dǎo)體材料與特性(13/25)滄海書局1多數(shù)及少數(shù)載子：相差數(shù)個階級n型半導(dǎo)體：電子為多數(shù)載子，電洞為少數(shù)載子p型半導(dǎo)體：電洞為多數(shù)載子，電子為少數(shù)載子半導(dǎo)體材料與特性(14/25)滄海書局101多數(shù)及少數(shù)載子：相差數(shù)個階級半導(dǎo)體材料與特性(14/25)Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可考慮在T=300°K下矽被磷摻雜至Nd=1016cm-3

的濃度。請記得例1.1中ni=1.5×1010cm-3解：因Nd＞＞ni，電子濃度為而電洞濃度變?yōu)榘雽?dǎo)體材料與特性(15/25)滄海書局102Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可漂移與擴(kuò)散兩種導(dǎo)致電子電洞(統(tǒng)稱載子)在半導(dǎo)體內(nèi)移動之程序漂移：由電場引起擴(kuò)散：由濃度改變(濃度梯度)所引起梯度的成因可為非均勻摻雜分佈或在某區(qū)注入某量的電子或電洞漂移---假設(shè)給半導(dǎo)體一個電場，此場產(chǎn)生力量作用在自由電子及電洞而產(chǎn)生漂移速度與移動半導(dǎo)體材料與特性(16/25)滄海書局103漂移與擴(kuò)散半導(dǎo)體材料與特性(16/25)滄海書局17n型半導(dǎo)體：電場方向與對電子產(chǎn)生之力量反向漂移速度

，負(fù)號表電場相反方向為電子遷移率，可想成電子在半導(dǎo)體內(nèi)移動效果的參數(shù)。低摻雜矽之典型值為1350(cm2/V-s)漂移電流密度n是電子濃度(個/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電子流反向，但與電場同向半導(dǎo)體材料與特性(17/25)滄海書局104n型半導(dǎo)體：電場方向與對電子產(chǎn)生之力量反向半導(dǎo)體材料與特性p型半導(dǎo)體：電場方向與對電洞產(chǎn)生之力量同向漂移速度

，正號表相同方向為電洞遷移率，低摻雜矽之典型值為480(cm2/V-s)，略小於一半的電子遷移率漂移電流密度p是電洞濃度(個/cm3)，e是電子電荷漂移電流與電場與電洞流同向半導(dǎo)體材料與特性(18/25)滄海書局105p型半導(dǎo)體：電場方向與對電洞產(chǎn)生之力量同向半導(dǎo)體材料與特性總漂移電流密度：半導(dǎo)體有電子及電洞

為半導(dǎo)體的導(dǎo)電度與電子電洞之濃度有關(guān)，單位為(-cm)-1。製成時選擇摻雜可控制導(dǎo)電度。

,ρ為電阻率，單位為(-cm)

?？煽闯闪硪恍问降臍W姆定律。半導(dǎo)體材料與特性(19/25)滄海書局106總漂移電流密度：半導(dǎo)體有電子及電洞半導(dǎo)體材料與特性(19/Example1.3：求漂移電流密度考慮在T=300°K下之矽摻雜濃度Nd=8*1015cm-3的砷原子。假設(shè)遷移率各為

與

。且外加電場為100V/cm。解：由例1.1之結(jié)果知，室溫下矽之ni=1.5×1010cm-3。所以，從(1.9)式得半導(dǎo)體材料與特性(20/25)滄海書局107Example1.3：求漂移電流密度半導(dǎo)體材料與特性(2由於兩種載子的濃度有很大的差異，因此導(dǎo)電度可簡化為或漂移電流可為半導(dǎo)體材料與特性(21/25)滄海書局108由於兩種載子的濃度有很大的差異，因此導(dǎo)電度可簡化為半導(dǎo)體材料擴(kuò)散：粒子由高濃度向低濃度流動是一種統(tǒng)計現(xiàn)象，與動力學(xué)理論有關(guān)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(jìng)結(jié)果是高濃度粒子往低濃度流電子擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dn為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向為正X軸方向半導(dǎo)體材料與特性(22/25)滄海書局109擴(kuò)散：粒子由高濃度向低濃度流動半導(dǎo)體材料與特性(22/25電洞擴(kuò)散方向與電流方向：一維方程式e電荷量Dp為電子擴(kuò)散係數(shù)電子濃度梯度電流方向為負(fù)X軸方向愛因斯坦方程式擴(kuò)散現(xiàn)象的擴(kuò)散係數(shù)與漂移現(xiàn)象的遷移率兩者間的關(guān)係總電流密度：漂移與擴(kuò)散兩成份之總和通常僅其中一項主導(dǎo)半導(dǎo)體材料與特性(23/25)滄海書局110電洞擴(kuò)散方向與電流方向：半導(dǎo)體材料與特性(23/25)滄海多出載子半導(dǎo)體元件(熱)平衡的消失供給電壓，或有電流存在時若價電子與照入之光子交互作用，可能獲得足夠的能量以破壞共價鍵，而產(chǎn)生電子電洞對增加的電子電洞即多出電子及多出電洞電子(電洞)濃度：

為多出電子(電洞)濃度為熱平衡下的電子(電洞)濃度半導(dǎo)體材料與特性(24/25)滄海書局111多出載子半導(dǎo)體材料與特性(24/25)滄海書局25穩(wěn)態(tài)：載子不會無限增加電子電洞復(fù)合過程：自由電子與電洞復(fù)合多出載子生命期：多出電子與電洞復(fù)合前存在的平均時間半導(dǎo)體材料與特性(25/25)滄海書局112穩(wěn)態(tài)：載子不會無限增加半導(dǎo)體材料與特性(25/25)滄海書PN接面(1/22)前言pn接面：半導(dǎo)體電子學(xué)的真正威力所在在多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用中，整個半導(dǎo)體材料是單一晶格，一區(qū)摻雜成p型，相鄰區(qū)則摻雜成n型平衡的PN接面摻雜分佈及冶金接面---(b)圖的x=0的介面滄海書局113PN接面(1/22)前言滄海書局27在合金接面處最初電子電洞到對邊材料之?dāng)U散梯度最大從p區(qū)的電洞流使帶負(fù)電荷的受體離子裸露從n區(qū)的電子流使帶正電荷的施體離子裸露在此區(qū)域造成正負(fù)電離子分離空間，形成內(nèi)部電場擴(kuò)散之終止：若無外加電壓，引發(fā)之電場會使擴(kuò)散停止，而達(dá)到熱平衡治金接面跨此接面電子電洞皆有很大的濃度梯度PN接面(2/22)滄海書局114在合金接面處治金接面PN接面(2/22)滄海書局28空乏區(qū)(空間電荷區(qū))：上述正負(fù)離子所存在的區(qū)域此區(qū)域內(nèi)無可移動之電子或電洞內(nèi)建電位障：在p(n)區(qū)受(施)體濃度VT：熱電位，室溫T=300oK約為0.026V因?qū)?shù)函數(shù)，Vbi與摻雜濃度關(guān)係不重，一般矽的pn接面的Vbi約為下例題所求值附近0.1-0.2V之間無法以電壓計量得，因探針與半導(dǎo)體會形成新的電位障保持平衡下，此電位未產(chǎn)生電流PN接面(3/22)滄海書局115空乏區(qū)(空間電荷區(qū))：PN接面(3/22)滄海書局29Example1.5

求內(nèi)建電位障。考慮在T=300°K下之矽pn接面，p區(qū)摻雜至Na=1016cm-3

而n區(qū)摻雜至Nd=1017cm-3解：隨例題1-1可發(fā)現(xiàn)在室溫下，矽的本質(zhì)載子濃度約為帶入公式可求得PN接面(4/22)滄海書局116Example1.5求內(nèi)建電位障。PN接面(4/22)反偏下的PN接面特性正電壓接在N區(qū)外加電壓所形成電場EA的方向與空乏區(qū)電場方向相同使P(N)區(qū)的電洞(電子)向外側(cè)電路推回PN接面無載子流過所以反偏下無電流產(chǎn)生因空間電荷區(qū)的電場增加，正負(fù)離子電荷也增加，在摻雜濃度不變下，空間電荷區(qū)的寬度會增加PN接面(5/22)滄海書局117反偏下的PN接面PN接面(5/22)滄海書局31接面電容(空乏層電容)Cj0為無施加電壓時之接面電容因額外空乏區(qū)的正負(fù)離子電荷隨反偏而增加值常在或低於pF，隨反向偏壓增加而減少，最大電場發(fā)生在冶金接面不論空間電荷區(qū)之電層或施加的反偏電壓不可能無限增加，因在某個點即發(fā)生崩潰而產(chǎn)生極大的反偏電流。接面電容將影響PN接面開關(guān)的特性PN接面(6/22)滄海書局118接面電容(空乏層電容)PN接面(6/22)滄海書局32Example1-6考慮在T=300°K下具Na=1016cm-3及Na=1016cm-3摻雜的矽pn接面。設(shè)Na=1016cm-3且Cjo=0.5PF。計算VR=1V及VR=5V下之接面電容。解：內(nèi)建電位由下決定VR=1V與VR=5V時的電容各為PN接面(7/22)滄海書局119Example1-6考慮在T=300°K下具Na=1順偏下的PN接面：順向偏壓使電位障下降施加電壓所導(dǎo)致的施加電場與熱平衡的空間電荷區(qū)的電場反向，所以總電場小於熱平衡值順偏電流：電子(電洞)由n至p(p至n)因施加電電場破壞了原來擴(kuò)散與E場力間的平衡順向偏壓需小於內(nèi)建電位障PN接面(8/22)滄海書局120順偏下的PN接面：PN接面(8/22)滄海書局34順向電流的穩(wěn)態(tài)條件多數(shù)載子電子(電洞)從N(P)區(qū)擴(kuò)散到對向P(N)區(qū)進(jìn)入對向區(qū)的主要載子成為此區(qū)的少數(shù)載子在空乏區(qū)邊緣的少數(shù)載子濃度分佈增加多出的少數(shù)載子擴(kuò)散至P-與N-中性區(qū)與此區(qū)的主要載子複合PN接面(9/22)滄海書局121順向電流的穩(wěn)態(tài)條件PN接面(9/22)滄海書局35理想電壓與電流關(guān)係IS為反向飽和電流，與摻雜濃度及接面截面積有關(guān)。對矽的PN接面而言，其值在10-15至10-13AVT為熱電壓，室溫下約為0.026Vn為放射係數(shù)或理想因子，介於1至2間(通常用1)與空乏區(qū)的電子電洞結(jié)合有關(guān)小電流時複合電流主宰，值會接近2大電流時複合電流影響不大，值則接近1PN接面(10/22)滄海書局122理想電壓與電流關(guān)係PN接面(10/22)滄海書局36Example1.7考慮一在T=300°K下之矽PN接面，其Is=10-14A且n=1。求vD=+0.70V及vD=-0.70V時之二極體電流。解：vD=+0.70V時，pn接面乃順向偏壓，可得

vD=-0.70V時，pn接面乃反向偏壓，可得PN接面(11/22)滄海書局123Example1.7考慮一在T=300°K下之矽PN接PN接面二極體PN接面之電流-電壓特性小量順向偏壓的改變，順向電流便增加好幾個數(shù)量級順向偏壓大於0.1V則公式內(nèi)之-1項可略去線性座標(biāo)軸對數(shù)座標(biāo)軸PN接面(12/22)滄海書局124PN接面二極體線性座標(biāo)軸對數(shù)座標(biāo)軸PN接面(12/22)滄PN接面二極體：電壓控制的開關(guān)反向偏壓時為關(guān)，只有非常小量之電流順向偏壓時為開，只要相當(dāng)小的施加電壓便產(chǎn)生相當(dāng)大的電流反向飽和電流：反偏至少0.1V時，電流為-IS，為反向且定值，故稱反向飽和電流，典型值在10-14A產(chǎn)生電流：實際的反偏電流較大，多出的電流是由於在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子及電洞。典型反向偏壓電流為10-9A(1nA)PN接面(13/22)滄海書局125PN接面二極體：電壓控制的開關(guān)PN接面(13/22)滄海書溫度效應(yīng)給定一電流，溫度增加則要求的反向偏壓減少VT為溫度之函數(shù)，對矽二極體而言約為2mV/oCIS為本質(zhì)載子濃度ni之函數(shù)，所以與溫度強(qiáng)烈有關(guān)理論上每增5oC，IS約變?yōu)殡p倍真正反偏二極體電流一般是每增

10oC則變雙倍(含VT之影響)鍺二極體的ni相對較大，所以有較大的反向飽和電流，因此溫度增加而使反向電流增加，此不利於多數(shù)電路應(yīng)用PN接面(14/22)滄海書局126溫度效應(yīng)PN接面(14/22)滄海書局40崩潰電壓現(xiàn)象夠大的反偏電壓在空乏區(qū)形成夠大的電場，使得共價鍵得以被打斷，而形成電子電洞對。電子(電洞)被電場掃掃至n(p)區(qū)，而形成反偏電流崩潰電流可被外部電路或因高功率燒毀而限定 崩潰電壓與製成參數(shù)有關(guān)，約在50-200VPIV反向電壓尖值：若要避免崩潰則不可超過此值PN接面(15/22)滄海書局127崩潰電壓PN接面(15/22)滄海書局41雪崩崩潰：少數(shù)載子越過空間電荷區(qū)，得到足夠的動能而在移動過程中獲得電場能量，並在遷移過程中再度撞擊破壞共價鍵。產(chǎn)生的電子電洞對又再形成更多次的碰撞，所以引發(fā)雪崩過程雪崩崩潰與摻雜濃度有關(guān)係濃度越高雪崩崩潰電壓越小⊕?⊕?⊕?⊕?⊕?(1)(2)(3)(4)(5)PN接面(16/22)滄海書局128雪崩崩潰：⊕?⊕?⊕?⊕?⊕?(1)(2)(3)(4)(5)齊納(Zener)效應(yīng)：大量載子穿透(tunneling)PN接面的行為最常發(fā)生在非常高摻雜濃度的接面一般齊納崩潰電壓大多發(fā)生在反偏5V以內(nèi)PN接面(17/22)滄海書局129齊納(Zener)效應(yīng)：PN接面(17/22)滄海書局43切換暫態(tài)：二極體由一狀態(tài)切換至另一狀態(tài)之速度及特性“關(guān)閉”暫態(tài)反應(yīng)：順偏的”開”切換到反偏的”關(guān)”t<0,PN接面(18/22)滄海書局130切換暫態(tài)：PN接面(18/22)滄海書局44因順向偏壓與反向偏壓時在半導(dǎo)體內(nèi)之少數(shù)載子數(shù)不同當(dāng)二極體從順偏切換到反偏後後需要時間移走或移入這些差距當(dāng)順向偏壓移走時，相當(dāng)大的擴(kuò)散電流在反偏方向產(chǎn)生主要原因是多出的少數(shù)載子之回流PN接面(19/22)滄海書局131因順向偏壓與反向偏壓時在半導(dǎo)體內(nèi)之少數(shù)載子數(shù)不同PN接面(大的反偏電流起初由RR所限，約為接面電容無法使接面電壓瞬間改變瞬間反偏電流IR在0+<t<tS

為常數(shù)

儲存時間ts：在空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載子濃度達(dá)到熱平衡的時間掉落時間tf：初始電流落至初值的10%所需時間PN接面(20/22)滄海書局132大的反偏電流起初由RR所限，約為PN接面(20/22)滄海關(guān)閉時間：tf+tS

切換時間的快慢將會影響電腦的運算速度為使二極體切換快速，二極體必須具備較少的少數(shù)多出少數(shù)載子生命期切換速度會影響計算機(jī)的速度為快速切換二極體，二極體需有較短的多出少數(shù)載子生命期且我們需提供大的反向電流脈衝PN接面(21/22)滄海書局133關(guān)閉時間：tf+tSPN接面(21/22)滄海書局導(dǎo)通的暫態(tài)：由反偏的“off”切換至順偏的“on”導(dǎo)通時間：建立順偏少數(shù)載子分佈的時間。在這時間內(nèi)，接面的電壓漸增至穩(wěn)態(tài)。一般小於關(guān)閉時間。PN接面(22/22)滄海書局134導(dǎo)通的暫態(tài)：PN接面(22/22)滄海書局48二極體電路：DC分析與模型(1/13)前言二極體的I-V特性為非線性可用在由弦波產(chǎn)生直流及一些邏輯函數(shù)理想二極體(如圖)指如非I-V之二極體等式及I-V特性iD=0,二極體施與反偏下iD

>0,vD~0,二極體施與順偏下滄海書局135二極體電路：DC分析與模型(1/13)前言滄海書局49整流器電路：產(chǎn)生直流的第一步輸入正弦波正半週”導(dǎo)通”iD存在，vD~0vO=vI負(fù)半週關(guān)閉二極體如同開路iD=0，vO=0輸出結(jié)果

=0，>0二極體電路：DC分析與模型(2/13)滄海書局136整流器電路：產(chǎn)生直流的第一步二極體電路：DC分析與模型(2二極體電路直流分析的四種進(jìn)行方式疊代法圖解技巧片段線性模型法電腦分析二極體電路：DC分析與模型(3/13)滄海書局137二極體電路直流分析的四種進(jìn)行方式二極體電路：DC分析與模型疊代法與圖解分析技巧疊代即使用嘗試錯誤來找解圖解分析則是畫出兩個聯(lián)立方程式找交點圖例：由Kirchhoff電壓定律因，則其中僅VD未知，所以疊代求VD二極體電路：DC分析與模型(4/13)滄海書局138疊代法與圖解分析技巧二極體電路：DC分析與模型(4/13)Example1.8：求VD及ID。設(shè)二極體之反向飽和電流為Is=10-13A解：我們可寫下關(guān)係式為如果我們首先試VD=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?.7V，所以方程式不平衡，必須再試。如果我們試VD=0.6V，則關(guān)係式右手邊變?yōu)?5.1V。方程式又不平衡，必須再試。

二極體電路：DC分析與模型(5/13)滄海書局139Example1.8：求VD及ID。設(shè)二極體之反向飽和電流但我們看得出來，VD之解應(yīng)在0.6及0.65V之間。如果我們繼續(xù)嘗試錯誤，我們可以證實當(dāng)VD=0.619V時，關(guān)係式式右手邊變?yōu)?.99V，此值基本上已與方程式左手邊之值(5V)相等。把跨於電阻上之電壓降除以電阻值即可得出此電路之電流，即可得出此電路之電流，即二極體電路：DC分析與模型(6/13)滄海書局140但我們看得出來，VD之解應(yīng)在0.6及0.65V之間。二極體電圖解法：畫出負(fù)載線及二極體的I-V特性曲線由克希荷夫電壓定律在給定VPS

與R後，ID

對VD

為線性關(guān)係。所畫出來的線稱為負(fù)載線ID

=0,可得VD=VPS

的水平軸交點VD=0,可得ID

=VPS/R的垂直軸交點靜態(tài)點(Q點)：兩線之交會，即其解此法麻煩，但提供電路響應(yīng)之觀看。二極體電路：DC分析與模型(7/13)滄海書局141圖解法：二極體電路：DC分析與模型(7/13)滄海書局55片段線性模型使用兩個線性近似VD

≧Vr

,一條線性斜率為1/rf的直線rf為二極體順向電阻；Vr為導(dǎo)通或稱切入電壓如同一個Vr電壓源與一個rf電阻串聯(lián)的線性近似二極體電路：DC分析與模型(8/13)滄海書局142片段線性模型二極體電路：DC分析與模型(8/13)滄海書局假設(shè)rf=0VD<Vr

,為一條平行VD軸而無電流的直線近似等效電路如同開路若rf

=0,二極體片段線性模型電路如下圖所示二極體電路：DC分析與模型(9/13)滄海書局143假設(shè)VD<Vr,為一條平行VD軸