《微电子PN结》课件

微电子结PN结是半导体器件的核心组成部件是微电子技术的基础本节将探讨结的PN,PN工作原理、重要特性以及在微电子领域的广泛应用概述结概述PN结是由型半导体和型半导体材料形成的结合界面是半导体器件的基本结构了解PN p n,结的形成原理和工作特性是掌握半导体电子学的基础PN发展历程结的概念最早由威廉肖克利提出从而奠定了半导体技术的基础随后结在电子电PN·,PN路中广泛应用成为电子器件发展的关键,应用领域结广泛应用于整流器、放大器、开关电路等领域是许多电子产品的核心组件在现代电PN,,子技术中发挥重要作用结的形成PN掺杂半导体材料通过有目的性的杂质掺入而形成具有不同导电性的型和型区域N P扩散型和型区域相邻后，载流子将在两侧扩散并在结区形成空间N P电荷区电场空间电荷区形成了内建电场阻止更多的载流子跨越结区从而形,,成结的平衡状态PN电流特性10mA

0.6V50μs电流量级典型电压值快速响应时间结二极管具有非线性的电流电压特性在正向偏压下，二极管导通会产生大电流在反向偏压下，只有少量的漂移电流流过这种非PN-;线性特性使得二极管广泛应用于各种电路中正向偏压电压上升1正向偏压会使结两端的电压上升形成正向偏压下的电压梯PN,度空间电荷区收缩2正向偏压会使结的空间电荷区收缩降低势垒电压PN,电流增大3正向偏压下扩散电流明显增大同时漂移电流也有所上升,,反向偏压耗竭区扩展1在反向偏压下结的耗竭区会进一步扩展,PN势垒升高2势垒高度随偏压增加而增大电流极小3只有少数载流子能跨越势垒当结施加反向偏压时势垒高度增加只有少数少数载流子能克服势垒从区到区因此，在反向偏压下，结只有一个很小的反向电PN,,N PPN流称为漂移电流这种反向电流非常微小，通常可以忽略不计漂移电流电场驱动方向一致12漂移电流是由结两侧的内建电场驱动的，电子和空穴在电子和空穴的漂移电流方向相反，但总的漂移电流方向一致，PN此电场的作用下发生定向运动从结的正端流向负端PN电流大小温度影响34漂移电流的大小取决于载流子浓度以及内建电场的强弱随温度升高载流子浓度增加漂移电流也将增大,,扩散电流定义驱动机制表达式温度关系扩散电流是由于载流子浓度差扩散电流的产生是由于载流子扩散电流密度可以用第一扩散电流随温度升高而增大，Fick引起的电流是结中的主要浓度的空间梯度载流子会从定律表达为，符合指数关系这是因为载流,PN,J=qDdp/dx电流成分之一当结达到浓度高的区域扩散到浓度低的其中是扩散系数，是子热运动加剧而浓度梯度增大PN Ddp/dx热平衡时扩散电流与漂移电区域载流子浓度梯度所致,流大小相等结的电流电压特性PN-正向偏压随着正向偏压的增加，结的正PN向电流会呈指数增长这主要是由于扩散电流占主导地位反向偏压随着反向偏压的增加，结的反PN向电流会缓慢增加这主要是由于漂移电流占主导地位开启电压当正向偏压超过一定阈值时，PN结会开始进入导通状态这个阈值就是结的开启电压PN二极管的工作原理正向偏压1在正向偏压下结形成导通状态允许电流流过,PN,反向偏压2在反向偏压下结形成耗尽层不允许电流流过,PN,截止状态3在反向偏压下由于工作在耗尽区二极管处于截止状态,,导通状态4在正向偏压下载流子注入扩散电流导通二极管开启,,二极管的工作原理是利用结在正向和反向偏压下的不同特性来实现电流的控制当结正向偏压时会产生大量的少数载流子导致扩散电流增PN PN,,大使二极管导通当结反向偏压时会产生耗尽区阻止电流通过使二极管处于截止状态,;PN,,,二极管应用整流开关二极管可将交流电转换为直流电二极管可在导通和截止之间快速,广泛应用于电源电路和电子设备切换用于开关电路和逻辑电路,放大检波利用二极管特性可实现信号放大二极管可将高频信号转换为低频,在放大电路中广泛应用信号广泛应用于无线电接收电路,二极管类型硅二极管肖特基二极管光敏二极管发光二极管硅二极管是最常见和广泛使用肖特基二极管具有低正向压降光敏二极管能根据光照强度变发光二极管通过电流激发发光,的二极管类型具有高度可靠性和高开关速度适用于高频和高化电压或电流广泛用于光电转能发出不同颜色的光广泛应用,,,,和稳定性广泛应用于电子设备功率放大电路换、光控制和测量等领域于指示灯和显示设备,中二极管的性能参数二极管的性能参数包括正向压降、反向漏电流、击穿电压、工作温度范围等这些参数直接决定了二极管的工作特性和应用场景合理选择性能参数可以确保二极管在各种工作条件下都能可靠、高效地工作二极管的失效机理热失效静电放电过高的工作温度会导致材料劣化从而引起静电放电会造成二极管的结构破坏导致器,,二极管性能下降甚至击穿件失效要采取防静电措施机械应力电流过载外部机械应力如弯曲、震动等会引起封装材电流超过二极管的承受能力会引起过热从,料破坏导致二极管失效而导致材料变化和性能损坏,二极管的热特性温度依赖性热等效电路热失效机理二极管的电流特性会随着温度的变化而变化二极管内部可以用热等效电路模拟包括热二极管在高温下会发生热失效主要原因包,,温度升高会导致漏电流增大温度参数是二电阻和热电容描述热量在器件内部的传导括漏电流增大、结温升高、结构材料参数变,极管的重要性能指标和存储过程化等需要控制工作温度,二极管的噪声特性噪声源二极管内部的热噪声、噪声以及注入噪声等会产生不同频段的噪声信号1/f噪声测量使用噪声系数、噪声温度或等效噪声输入等指标来描述二极管的噪声特性噪声抑制采用良好的电路设计和热管理措施可以降低二极管噪声对电路性能的影响半导体材料半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料它具有独特的电学性能在电子和光电子领域广泛应用常见的半导体材料包括硅、,锗、砷化镓等这些材料在一定条件下能够产生稳定的电子和空穴从而形成电流,半导体材料的性能可以通过缺陷和杂质的引入而得到改善和调节引入不同种类和浓度的掺杂剂能够改变材料的导电性和光学特性,从而满足各种电子器件的设计需求掺杂过程掺杂添加1在半导体材料中添加少量杂质元素以改变其电学特性,型掺杂p2在半导体晶体中引入族元素如硼、铟等以增加空穴浓度III,,型掺杂n3在半导体晶体中引入族元素如磷、砷等以增加电子浓度V,,能带理论能级分离导带与价带禁带宽度载流子激发在半导体材料中电子只能占最高的被占据能级称为价带价带和导带之间存在一个禁带当电子获得足够的能量后可,,,,据特定的能量水平即能级而最低的空的能级称为导带电子无法直接跨越此带隙不以从价带跃迁到导带形成自,,相邻能级之间存在一定间隔电子在这两个能带之间移动同材料的禁带宽度不同决定由电子和空穴即载流子实现,,,,,形成了能带结构决定了半导体的电导性了其导电特性电导布里渊区布里渊区是由量子力学衍生出的一个重要概念用于描述晶体内电子的能量状态,它反映了在晶体结构中电子只能占据特定的离散能级而不能处于中间的能级,,这种能级的离散性是由于晶体结构的周期性特征所导致的布里渊区的边界标志着电子能量状态的变化对于理解多种半导体器件的工作原,理和性能参数具有重要意义了解布里渊区有助于深入认识半导体材料的电子结构和光电特性载流子浓度半导体材料中存在两种类型的载流子即电子和空穴载流子浓度是衡量这些载,流子在材料中的数量和分布的重要参数通过掺杂方式可以改变半导体材料的导电类型和载流子浓度从而影响半导体器,,件的性能电子浓度和空穴浓度的高低对结的特性起关键作用PN少数载流子寿命10ns1ms100ps少数载流子寿命长寿命材料短寿命材料半导体材料中少数载流子的平均存在时间一些具有高纯度的半导体材料少数载流子寿部分半导体材料的少数载流子寿命仅有皮秒命可达毫秒级量级半导体材料中少数载流子的平均存在时间被称为少数载流子寿命其值的大小主要取决于材料的杂质含量和结构缺陷高纯度材料和完美,晶体结构都有利于延长少数载流子寿命结的能带结构PN结是由型和型半导体材料接触形成的异质结构在接触界面PN n p处电子由型半导体向型半导体扩散空穴由型半导体向型半,np,pn导体扩散形成空间电荷区和内建电场,这种能带结构的变化决定了结的电压和电流特性是理解结,PN,PN工作机理的基础势垒电压什么是势垒电压？结中由于电子和空穴在扩散区PN域内形成的电势差这个电势差就是,势垒电压势垒电压的作用势垒电压为结提供了重要的特PN性是二极管导通和截止的基础它,决定了结的开启电压PN势垒电压是结中形成的内建电场的体现这个内建电场决定了结的整流特PN,PN性当结施加外加电压时内建电场会发生变化从而影响结的电流电压PN,,PN-特性扩散电流密度漂移电流密度描述漂移电流是由于外加的电场作用下载流子在材料内部的有序移,动而产生的电流公式漂移电流密度载流子浓度载流子迁移率电场强度=××影响因素温度升高会增加载流子浓度从而增加漂移电流密度施加的电,场越强漂移电流密度也越高,结的开启电压PN

0.6V典型值结开启电压通常为，是半导体材料的内在特性PN

0.6V

0.5V~

0.8V常见范围不同半导体材料的结开启电压一般在到伏之间PN

0.

50.

80.2V较低值低压二极管的开启电压可降至伏左右

0.2结的开启电压是指正向偏压时，结两端出现导通电流所需的最小电压它取决于半导体材料的禁带宽PN PN度和内部势垒电压在伏之间的典型值能满足大多数应用需求

0.5-

0.8二极管的工艺技术晶圆加工封装技术12利用掺杂、光刻、刻蚀等技术将芯片封装在塑料、金属或陶在硅晶圆上制造结构瓷外壳中保护内部结构PN,测试与可靠性先进工艺34对制造的二极管进行电性能测利用离子注入、低压化学气相试并评估其可靠性沉积等先进工艺提高二极管性能封装技术可靠性保障散热优化12良好的封装技术能有效保护芯精心设计的封装结构可以增强片免受外部环境伤害提高电子器件的散热性能提高工作稳定,,器件的可靠性和使用寿命性和长期可靠性尺寸减小成本控制34先进的封装技术能够大幅缩小优化的封装工艺能够降低电子芯片尺寸有利于电子产品向小产品的制造成本提高生产效率,,型化和便携化发展如何设计高性能二极管选择最佳材料选用高纯度、低缺陷密度的半导体材料可大幅提高二极管性能和可靠性,优化制造工艺精细控制掺杂浓度、沉积层厚度等工艺参数确保结质量和稳定性,PN设计高效散热结构采用导热性强的封装材料和散热元件可有效降低热阻提高功率处理能力,,优化电路设计合理选择偏压、负载等电路参数可改善二极管的静态和动态特性,。