《半导体材料与特性》PPT课件

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1、Semiconductor Materials and Diodes半 導 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 -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 2/86 半 導 體 材 料 與 特 性 (1/25)前 言最 常 見 的 半 導 體 為 矽 ， 用 在 半 導 體 元 件 及積 體 電 路其 他 特 殊 用 途 的 則 有 砷 化 鎵 及 相 關 的 化 合物 ， 用 在 非 常 高

2、速 元 件 及 光 元 件半 導 體原 子 ： 質 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 活 性 主 要 由 其 數目 而 定 -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 3/86 週 期 表 依 價 電 子 數 而 排 列第 四 族 之 矽 與 鍺 為 元 素 半 導 體砷 化 鎵 為 三 五 族 的 化 合 物 半 導 體原 子 、 晶 格 、 共 價 鍵無 交 互 作 用 之 原 子 (如 圖 )， 靠 太 近

3、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 構半 導 體 材 料 與 特 性 (2/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 4/86 電 子 與 電 洞T=0K時 矽 為 絕 緣 體 ： 電 子 在 最 低 能 態 ， 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

4、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 的 自 由 電 子 ， 且 在原 位 之 空 能 態 為 正 電 荷 ， 此 粒 子 即 為 電 洞半 導 體 材 料 與 特 性 (3/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 5/86 半 導 體 內 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

5、能 量 Eg： 破 壞 共 價 鍵 的 最 低 能 量能 隙 能 量 在 3-6 eV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 體半 導 體 的 數 量 級 約 為 1 eV (=1.610-19焦 耳 )半 導 體 材 料 與 特 性 (4/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 6/86 能 帶 圖 觀 念 (a)EV為 價 電 帶 最 高 能 量EC為 導 電 帶 最 低 能 量Eg= EV - EC兩 能 帶 間 為 禁 止 能

6、隙電 子 無 法 在 禁 止 能 隙 中 存 在(b)顯 示 傳 導 電 子 產 生 過 程電 子 獲 得 足 夠 能 量 從 價 電 帶 躍 遷 到 導 電 帶半 導 體 材 料 與 特 性 (5/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 7/86 本 質 半 導 體電 子 及 電 洞 濃 度 為 半 導 體 材 料 特 性 之 重 要 參 數 ， 因 其直 接 影 嚮 電 流 之 大 小本 質 半 導 體無 其 他 物 質 在 晶 格 內 之 單 一 晶 格 半 導 體 材 料電 子 與 電 洞 之

7、 密 度 相 同 ， 因 皆 由 熱 產 生本 質 載 子 濃 度 B為 常 數 ， 與 特 定 之 半 導 體 材 導 有 關 E g與 溫 度 之 關 係 不 重 k為 Boltzmann常 數 =8610-6 eV/K kTEi geBTn 22/3 半 導 體 材 料 與 特 性 (6/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 8/86 Example 1.1： T=300 K求 矽 之 本 質 載 子 濃 度解 ： 代 入 公 式 即 可結 果 為 1.51010 cm-3， 雖 不 小 ，

8、但 比 起 原 子 濃 度51022 cm-3則 很 小 kTEi geBTn 22/3半 導 體 材 料 與 特 性 (7/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 9/86 外 質 半 導 體加 入 雜 質本 質 半 導 體 的 電 子 電 洞 濃 度 相 當 小 ， 僅 可 有 微量 電 流 。 適 當 地 加 入 控 制 量 的 某 些 雜 質 可 大 為提 高 。適 宜 的 雜 質 可 進 入 晶 格 取 代 原 來 的 電 子 (即 使 價電 子 結 構 不 同 )， 常 用 雜 質 來 自

9、 三 五 族半 導 體 材 料 與 特 性 (8/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 10/86 施 體 雜 質 ： 貢 獻 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 而 成 自 由 電 子 ， 因 而 對 半 導 體 電 流 有所 貢 獻 。當 第 五 個 價 電 子 移 動 到 導 電

10、帶 ， 磷 離 子 則 形 成 帶 正 電的 離 子 。半 導 體 材 料 與 特 性 (9/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 11/86 剩 下 之 原 子 帶 正 電 荷 ， 但 在 晶 格 內 不 可 移 動 ， 所 以 對電 流 無 貢 獻施 體 雜 質 產 生 自 由 電 子 ， 但 不 產 生 電 洞摻 雜 ： 加 入 雜 質 ， 控 制 自 由 電 子 (洞 )濃 度n型 半 導 體 ： 含 施 體 雜 質 原 子 之 半 導 體半 導 體 材 料 與 特 性 (10/25) -D

11、onald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 12/86 受 體 雜 質 ： 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 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 生 電 洞 。剩 下 之 原 子 帶 負 電 荷 ， 不 可 移 動 ， 有 產 生 電 洞 而 產生 電 洞 電 流 。半 導 體 材 料 與 特 性 (11/25) -Donald A.

12、Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 13/86 受 體 體 雜 質 產 生 電 洞 ， 但 不 產 生 電 子 。p型 半 導 體 ： 含 受 體 雜 質 原 子 之 半 導 體 。外 質 半 導 體含 雜 質 原 子 之 半 導 體 材 料 ， 亦 稱 摻 雜 半 導 體 。摻 雜 過 程 中 可 控 制 以 決 定 材 料 之 導 電 度 及 電 流 。半 導 體 材 料 與 特 性 (12/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design

13、 14/86 電 子 電 洞 之 濃 度 關 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 載 子 濃 度室 溫 下 每 個 施 (受 )體 原 子 產 生 一 個 自 由 電 子 (電 洞 )若 施 (受 )體 濃 度 遠 大 於 本 質 濃 度 。 200 inpn )( 00 ad NpNn 2 20 0( )i id an np nN N ad NN )( 半 導 體 材 料 與 特 性 (13/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Ana

14、lysis and Design 15/86 多 數 及 少 數 載 子 ： 相 差 數 個 階 級n型 半 導 體 ： 電 子 為 多 數 載 子 ， 電 洞 為 少 數 載 子p型 半 導 體 ： 電 洞 為 多 數 載 子 ， 電 子 為 少 數 載 子半 導 體 材 料 與 特 性 (14/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 16/86 Example 1.2： 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 N

15、d=1016cm-3 的 濃 度 。請 記 得 例 1.1中 ni=1.51010cm-3解 ： 因 Nd ni， 電 子 濃 度 為 而 電 洞 濃 度 變 為 16 310o dn N cm 2102 4 3 161.5 10 2.25 1010io dnp cmN 半 導 體 材 料 與 特 性 (15/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 17/86 漂 移 與 擴 散兩 種 導 致 電 子 電 洞 (統 稱 載 子 )在 半 導 體 內 移動 之 程 序漂 移 ： 由 電 場 引 起擴 散

16、 ： 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 注 入 某 量 的電 子 或 電 洞漂 移 -假 設 給 半 導 體 一 個 電 場 ， 此 場 產 生 力量 作 用 在 自 由 電 子 及 電 洞 而 產 生 漂 移 速 度 與移 動 半 導 體 材 料 與 特 性 (16/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 18/86 n型 半 導 體 ： 電 場 方 向 與 對 電 子 產 生 之 力 量 反 向漂 移 速 度

17、， 負 號 表 電 場 相 反 方 向 為 電 子 遷 移 率 ， 可 想 成 電 子 在 半 導 體 內 移 動 效 果 的 參 數 。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Ev ndn n EenEenenvJ ndn )(半 導 體 材 料 與 特 性 (17/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 19/86 p型

18、半 導 體 ： 電 場 方 向 與 對 電 洞 產 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Ev pdp P EepEepenvJ npdpp )(半 導 體 材 料 與 特 性 (18/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis

19、 and Design 20/86 總 漂 移 電 流 密 度 ： 半 導 體 有 電 子 及 電 洞 為 半 導 體 的 導 電 度 與 電 子 電 洞 之 濃 度 有 關 ， 單 位為 (-cm)-1。 製 成 時 選 擇 摻 雜 可 控 制 導 電 度 。 , 為 電 阻 率 ， 單 位 為 (-cm) 。 可 看 成 另 一 形 式 的 歐 姆 定 律 。 1( )n p n pJ en E ep E en ep E E E 1 半 導 體 材 料 與 特 性 (19/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and

20、 Design 21/86 Example 1.3： 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 遷 移 率 各 為 與 。 且外 加 電 場 為 100 V/cm。解 ： 由 例 1.1 之 結 果 知 ， 室 溫 下 矽 之 ni=1.51010cm-3。 所 以 ， 從 (1.9)式 得 2 10 2 4 315(1.5 10 ) 2.81 108 10idnp cmN 21350 /n cm V s 2480 / -p cm V S 半 導 體 材 料 與 特 性 (20/25) -Donald

21、 A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 22/86 由 於 兩 種 載 子 的 濃 度 有 很 大 的 差 異 ， 因 此 導 電 度 可簡 化 為或漂 移 電 流 可 為 n p ne n e p e n 19 15 1(1.610 )(1350)(810) 1.73( )cm 2(1.73)(100) 173 /J E A cm 半 導 體 材 料 與 特 性 (21/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 23/86 擴 散

22、 ： 粒 子 由 高 濃 度 向 低 濃 度 流 動是 一 種 統 計 現 象 ， 與 動 力 學 理 論 有 關高 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 結 果 是 高 濃 度 粒 子 往 低 濃 度 流電 子 擴 散 方 向 與 電 流 方 向 ：一 維 方 程 式e電 荷 量Dn為 電 子 擴 散 係 數 電 子 濃 度 梯 度電 流 方 向 為 正 X軸 方 向n n dnJ eD dxdndx半 導 體 材 料 與 特 性 (22/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circ

23、uit Analysis and Design 24/86 電 洞 擴 散 方 向 與 電 流 方 向 ：一 維 方 程 式e電 荷 量Dp為 電 子 擴 散 係 數 電 子 濃 度 梯 度電 流 方 向 為 負 X軸 方 向愛 因 斯 坦 方 程 式擴 散 現 象 的 擴 散 係 數 與 漂 移 現 象 的 遷 移 率 兩 者 間 的關 係總 電 流 密 度 ： 漂 移 與 擴 散 兩 成 份 之 總 和 通 常 僅 其 中 一 項 主 導 -p p dpJ eD dxdpdx 0.026 pnn pDD kT Ve 半 導 體 材 料 與 特 性 (23/25) -Donald A. Ne

24、amen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 25/86 多 出 載 子半 導 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 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 0 0 ( )n n n p p p (

25、 )n p ( )O On p 半 導 體 材 料 與 特 性 (24/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 26/86 穩 態 ： 載 子 不 會 無 限 增 加電 子 電 洞 復 合 過 程 ： 自 由 電 子 與 電 洞 復 合多 出 載 子 生 命 期 ： 多 出 電 子 與 電 洞 復 合 前 存 在的 平 均 時 間半 導 體 材 料 與 特 性 (25/25) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design

26、27/86 PN接 面 (1/22)前 言pn接 面 ： 半 導 體 電 子 學 的 真 正 威 力 所 在在 多 數 半 導 體 應 用 中 ， 整 個 半 導 體 材 料 是 單 一 晶格 ， 一 區 摻 雜 成 p型 ， 相 鄰 區 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 -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 28/86 在 合 金 接 面 處最 初 電 子 電 洞 到 對 邊 材 料 之 擴 散 梯 度 最 大從 p區 的

27、 電 洞 流 使 帶 負 電 荷 的 受 體 離 子 裸 露從 n區 的 電 子 流 使 帶 正 電 荷 的 施 體 離 子 裸 露在 此 區 域 造 成 正 負 電 離 子 分 離 空 間 ， 形 成 內 部 電 場擴 散 之 終 止 ： 若 無 外 加 電 壓 ， 引 發 之 電 場 會 使 擴 散 停止 ， 而 達 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) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 29/86 空 乏 區 (空

28、 間 電 荷 區 )：上 述 正 負 離 子 所 存 在 的 區 域此 區 域 內 無 可 移 動 之 電 子 或 電 洞內 建 電 位 障 ： 在 p(n)區 受 (施 )體 濃 度VT： 熱 電 位 ， 室 溫 T=300 K約 為 0.026 V因 對 數 函 數 ， Vbi與 摻 雜 濃 度 關 係 不 重 ， 一 般 矽 的 pn接 面 的 Vbi約為 下 例 題 所 求 值 附 近 0.1-0.2 V之 間無 法 以 電 壓 計 量 得 ， 因 探 針 與 半 導 體 會 形 成 新 的 電 位 障保 持 平 衡 下 ， 此 電 位 未 產 生 電 流 22 lnln i daTi

29、 dabi nNNVnNNekTV)( da NN PN接 面 (3/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 30/86 Example 1.5 求 內 建 電 位 障 。考 慮 在 T=300 K 下 之 矽 pn接 面 ， p區 摻 雜 至 Na=1016 cm-3 而 n區 摻 雜 至 Nd=1017 cm-3解 ： 隨 例 題 1-1可 發 現 在 室 溫 下 ， 矽 的 本 質 載 子 濃 度 約 為 帶 入 公 式 可 求 得 10 31.5 10in cm PN接 面 (4/22) 16

30、 172 10 2(10 )(10 )ln( ) (0.026)ln 0.757(1.5 10 )a dbi T iN NV V Vn -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 31/86 反 偏 下 的 PN接 面特 性正 電 壓 接 在 N區外 加 電 壓 所 形 成 電 場 EA的 方 向 與 空 乏 區 電 場 方 向 相 同使 P(N)區 的 電 洞 (電 子 )向 外 側 電 路 推 回PN接 面 無 載 子 流 過 所 以 反 偏 下 無 電 流 產 生因 空 間 電 荷 區 的 電 場 增 加

31、， 正 負 離 子 電 荷 也 增 加 ， 在摻 雜 濃 度 不 變 下 ， 空 間 電 荷 區 的 寬 度 會 增 加PN接 面 (5/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 32/86 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 的 正 負 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 發生 在 冶 金 接 面不 論 空 間 電 荷 區 之 電

32、 層 或 施 加 的 反 偏 電 壓 不 可 能 無 限 增加 ， 因 在 某 個 點 即 發 生 崩 潰 而 產 生 極 大 的 反 偏 電 流 。接 面 電 容 將 影 響 PN接 面 開 關 的 特 性 2/10 1 biRjj VVCCPN接 面 (6/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 33/86 Example 1-6考 慮 在 T=300 K 下 具 Na=1016cm-3及Na=1016cm-3摻 雜 的 矽 pn接 面 。 設 Na=1016cm-3且Cjo=0.5PF。 計 算

33、 VR=1V及 VR=5V下 之 接 面 電 容 。解 ： 內 建 電 位 由 下 決 定VR=1V與 VR=5V時 的 電 容 各 為 16 152 10 2(10 )(10 )ln( ) (0.026)ln 0.637(1.5 10 )a dbi T iN NV V Vn 1/2 1/21(1 ) (0.5)(1 ) 0.3120.637Rj jo biVC C pFV 1/25(0.5)(1 ) 0.1680.637jC pF PN接 面 (7/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 34/86

34、 順 偏 下 的 PN接 面 ：順 向 偏 壓 使 電 位 障 下 降施 加 電 壓 所 導 致 的 施 加 電 場 與 熱 平 衡 的 空 間 電 荷區 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 散 與 E場 力 間 的 平 衡順 向 偏 壓 需 小 於 內 建 電 位 障PN接 面 (8/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 35/86 順 向 電 流 的 穩

35、態 條 件多 數 載 子 電 子 (電 洞 )從 N (P)區 擴 散 到 對 向 P(N)區進 入 對 向 區 的 主 要 載 子 成 為 此 區 的 少 數 載 子 在 空乏 區 邊 緣 的 少 數 載 子 濃 度 分 佈 增 加多 出 的 少 數 載 子 擴 散 至 P-與 N-中 性 區 與 此 區 的 主 要載 子 複 合 PN接 面 (9/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 36/86 理 想 電 壓 與 電 流 關 係IS為 反 向 飽 和 電 流 ， 與 摻 雜 濃 度 及 接 面

36、 截 面 積 有 關 。對 矽 的 PN接 面 而 言 ， 其 值 在 10-15至 10-13 AVT為 熱 電 壓 ， 室 溫 下 約 為 0.026 Vn為 放 射 係 數 或 理 想 因 子 ， 介 於 1至 2間 (通 常 用 1)與 空 乏 區 的 電 子 電 洞 結 合 有 關小 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 1 1TDnVvSD eIiPN接 面 (10/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Desig

37、n 37/86 Example 1.7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 -0.70( )14 140.0261 (10 ) 1 10DTvVD Si I e e A 0.70( )14 0.0261 (10 ) 1 4.93DTvVD Si I e e mA PN接 面 (11/22) -Donald A. Neamen

38、-Microelectronics Circuit Analysis and Design 38/86 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 數量 級順 向 偏 壓 大 於 0.1V則 公 式 內 之 -1項 可 略 去 1TDnVvSD eIi線 性 座 標 軸 對 數 座 標 軸 PN接 面 (12/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 39/86 PN接 面 二 極 體 ： 電 壓 控 制

39、的 開 關反 向 偏 壓 時 為 關 ， 只 有 非 常 小 量 之 電 流順 向 偏 壓 時 為 開 ， 只 要 相 當 小 的 施 加 電 壓 便 產 生 相 當 大 的 電 流反 向 飽 和 電 流 ：反 偏 至 少 0.1 V時 ， 電 流 為 -IS， 為 反 向 且 定 值 ， 故 稱 反 向 飽 和 電 流 ， 典 型 值 在 10-14 A產 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 產 生 電 子 及 電 洞 。 典 型 反 向 偏 壓 電 流 為 10 -9 A(1 nA) PN接 面 (13/22) -

40、Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 40/86 溫 度 效 應給 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 ， 對 矽 二 極 體 而 言 約 為 2 mV/CIS為 本 質 載 子 濃 度 ni之 函 數 ， 所 以 與 溫 度 強 烈 有 關理 論 上 每 增 5 C， IS約 變 為 雙 倍真 正 反 偏 二 極 體 電 流 一 般 是 每 增 10 C則 變 雙 倍 (含 VT之 影 響 )鍺 二 極 體 的 ni相 對 較 大 ， 所 以

41、 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 電 路 應 用PN接 面 (14/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 41/86 崩 潰 電 壓現 象夠 大 的 反 偏 電 壓 在 空 乏 區 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 ， 而 形 成 反 偏 電 流崩 潰 電 流 可 被 外

42、部 電 路 或 因 高 功 率 燒 毀 而 限 定崩 潰 電 壓 與 製 成 參 數 有 關 ， 約 在 50-200 VPIV反 向 電 壓 尖 值 ： 若 要 避 免 崩 潰 則 不 可 超 過 此 值PN接 面 (15/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 42/86 雪 崩 崩 潰 ：少 數 載 子 越 過 空 間 電 荷 區 ， 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 生 的 電

43、 子 電 洞 對 又 再形 成 更 多 次 的 碰 撞 ， 所 以 引 發 雪 崩 過 程雪 崩 崩 潰 與 摻 雜 濃 度 有 關 係濃 度 越 高 雪 崩 崩 潰 電 壓 越 小 (1)(2) (3)(4) (5) PN接 面 (16/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 43/86 齊 納 (Zener)效 應 ：大 量 載 子 穿 透 (tunneling) PN接 面 的 行 為最 常 發 生 在 非 常 高 摻 雜 濃 度 的 接 面一 般 齊 納 崩 潰 電 壓 大 多 發 生 在 反

44、 偏 5V以 內PN接 面 (17/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 44/86 切 換 暫 態 ： 二 極 體 由 一 狀 態 切 換 至 另 一 狀 態 之 速 度 及 特 性“ 關 閉 ” 暫 態 反 應 ：順 偏 的 ” 開 ” 切 換 到 反 偏 的 ” 關 ”t 0, -F DD F FV vi I R PN接 面 (18/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 45/86 因 順 向 偏

45、壓 與 反 向 偏 壓 時 在 半 導 體 內 之 少 數 載 子數 不 同當 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 順 向 偏 壓 移 走 時 ， 相 當 大 的 擴 散 電 流 在 反 偏 方向 產 生主 要 原 因 是 多 出 的 少 數 載 子 之 回 流PN接 面 (19/22) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 46/86 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

46、 間 改 變瞬 間 反 偏 電 流 IR在 0+ t 0, vD 0, 二 極 體 施 與 順 偏 下 -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 50/86 整 流 器 電 路 ： 產 生 直 流 的 第 一 步輸 入 正 弦 波正 半 週 ” 導 通 ”iD存 在 ， vD 0vO = vI負 半 週 關 閉二 極 體 如 同 開 路i D =0， vO =0輸 出 結 果 = 0， 0OVIV 二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (2/13) -Donald A. Neamen-Microele

47、ctronics Circuit Analysis and Design 51/86 二 極 體 電 路 直 流 分 析 的 四 種 進 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) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 52/86 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 立 方 程 式 找 交 點圖 例 ： 由 Kirchhoff

48、電 壓 定 律因 ， 則 其 中 僅 VD未 知 ， 所 以 疊 代 求 VDRVRVIVRIV DPSDDDPS 1TDVVSD eII DVVSPS VeRIV TD 1二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (4/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 53/86 Example 1.8： 求 VD及 ID。 設 二 極 體 之 反 向 飽 和 電 流為 Is=10-13A 解 ： 我 們 可 寫 下 關 係 式 為 如 果 我 們 首 先 試 VD=0.6V， 則 關 係 式 右 手

49、邊 變 為 2.7V，所 以 方 程 式 不 平 衡 ， 必 須 再 試 。 如 果 我 們 試 VD=0.6V， 則 關 係 式 右 手 邊 變 為 15.1V。 方程 式 又 不 平 衡 ， 必 須 再 試 。 ( )0.02613 35 (10 )(2 10 ) 1vD De V 二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (5/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 54/86 但 我 們 看 得 出 來 ， VD之 解 應 在 0.6及 0.65V之 間 。如 果 我 們 繼 續 嘗 試

50、 錯 誤 ， 我 們 可 以 證 實 當 VD=0.619V時 ， 關 係 式 式 右 手 邊 變 為 4.99V， 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- 5-0.619 2.19 2 PS DD V VI mAR 二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (6/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 55/

51、86 圖 解 法 ：畫 出 負 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 係 。所 畫 出 來 的 線 稱 為 負 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 點 (Q點 )： 兩 線 之 交 會 ， 即 其 解 此 法 麻 煩 ， 但 提 供 電 路 響 應 之 觀 看 。- PS DD V VI R二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (7/13) -Donald A.

52、Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 56/86 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 通 或 稱 切 入 電 壓如 同 一 個 Vr電 壓 源 與 一 個 rf電 阻 串 聯 的 線 性 近 似二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (8/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 57/86假 設

53、rf=0 VD 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) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 58/86 Example 1.9： 求 二 極 體 之 電 壓 、 電 流 與 散 逸 功 率 。 。設 二 極 體 片 段 線 性 模 型 的 參 數 為 Vr=0.6V與 rf=10 解 ： 由 所 給 定 之

54、 輸 入 電 壓 極 性 指 向 可 知 ， 二 極 體 乃 順 向 偏 壓 或 導 通 ， 故 ID 0。 等 效 電 路 如 圖 1.27(a)所 示 。 二 極 體 電 流 由 下 式 決 定 而 二 極 體 電 壓 為 35-0.6 2.19 2*10 10PS rD fV VI mAR r 30.6(2.190)(10)0.62DrDfVIr V 二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (10/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 59/86 二 極 體 散 逸 功 率 可 由求

55、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 2.15 mA ID 不 與 Vr一 有 很 強 的 關 連 性一 般 矽 二 極 體 用 0.7 VD D DP I V(2.19)(0.622) 1.36DP mW 二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (11/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 60/86 負 載 線 與 片 段 線 性 模 型 之 組 合假 設 Vr = 0.7 V， rf = 0， V

56、PS = +5 V Q點 只 與 VPS(橫 軸 交 點 )及 R(橫 軸 對 縱 軸 交 點 比 )有 關相 同 二 極 體 的 片 段 線 性 模 型 下A： VPS = 5 V R = 2 kB： VPS = 5 V R = 4 kC： VPS = 2.5 V R = 2 kD： VPS = 2.5 V R = 4 k Slope=-1/R二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (12/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 61/86 反 向 偏 壓 時 (注 意 方 向 )由 克 希

57、 荷 夫 電 壓 定 律 分 別 令 ID=0， VD=0可 得 兩 端 點 而 畫 出 負 載 線負 載 線 在 第 三 象 限 ， 交 點 在 VD=-5 V及 ID=0RVRVI VRIVRIV DPSD DDDPSPS 負 載 線二 極 體 電 路 ： DC分 析 與 模 型 (13/13) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 62/86 二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (1/8)前 言當 半 導 體 元 件 使 用 在 線 性 放 大 器 電 路 時 ， ac的 特 性 變得 重 要

58、 ， 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 dc VPS加 上 ac vi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 tVD tVD vD(t) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 63/86 Current-voltage relationships電 流 電 壓 皆 是 ac疊 加 在 dc上假 設 ac成 份 之 於 dc成 份 夠

59、 小 ， 所 以 可 從 非 線 性 二 極 體 發 展 一 線 性 ac模 型 若 ac訊 號 夠 小 ， 則 vdVT， 則 TdVv Vve Td 1 DQ指 二 極 體 dc靜 態dDQdTDQDQTdDQD iIvVIIVvIi 1二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (2/8) TdTDQT dDQTD VvVVSV vVSVvSD eeIeIeIi -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 64/86 小 訊 號 增 量 (擴 散 )電 導 gd與 電 阻 rd 或 則增 量 電 阻 是 d

60、c偏 壓 電 流 IDQ之 函 數 且 與 I-V特 性 曲線 之 斜 率 (增 量 電 導 )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dddTDQd vgvVIi dddDQTd iriIVv DQTdd IVgr 1二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (3/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 65/86 Example 1.

61、9 分 析 下 圖 電 路 。 假 設 電 路 及 二 極 體 之 參 數為 Vps=5V， R=5k， Vr=0.6V及 vi=0.1sint(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 電 流 為 輸 出 電 壓 之 直 流 值 為 5 0.6 0.885 PS rDQ V VI mAR (0.88)(5) 4.4O DQV I R V 二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (4/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit A

62、nalysis and Design 66/86 在 交 流 分 析 時 ， 我 們 僅 考 慮 交 流 訊 號 及 參 數 。 亦 即 ， 我們 實 效 上 令 VPS=0。 交 流 KVL方 程 式 變 為在 此 rd 為 小 訊 號 二 極 體 擴 散 電 阻 。 從 公 式 我 們 得二 極 體 交 流 電 流 為輸 出 電 壓 為 Rr viRriRiriv d iddddddi )(0.026 0.02950.88Td DQVr kI 0.1sin 19.9sin ( )0.0295 5 id dv ti t Ar R 0.0995sin ( )o dv i R t V 二 極 體

63、 電 路 ： AC等 效 電 路 (5/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 67/86 頻 率 響 應ac訊 號 頻 率 與 電 路 之 電 容 效 應 (擴 散 電 容 )間 的 關 係前 面 分 析 假 設 頻 率 很 小 ， 電 容效 應 可 以 忽 略 。當 頻 率 增 加 ， 順 偏 之 擴 散 電 容 變 得 重 要 。右 圖 為 少 數 載 子 電 洞 濃 度 分 布在 V DQ偏 壓 下 ， pnVDQ實 線在 VDQ + V偏 壓 下 ， pnVDQ+ V虛 線在 VDQ - V偏

64、 壓 下 ， pnVDQ- V虛 線 二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (6/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 68/86 在 + V與 - V的 壓 差 之 下 ， 在 PN接 面 間 有 + Q的 電 荷 變 化量 。擴 散 電 容 ， 是 由 於 順 偏 電 壓 改 變 下 少 數 載 子 的 電 荷 改變 量 所 造 成 的 結 果 。擴 散 電 容 一 般 大 於 接 面 電 容 ， 是 由 於 少 數 載 子 電 荷 量 隨 偏 壓改 變 所 影 響 較 大 。Dd dVdQ

65、C 二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (7/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 69/86 Small-signal equivalent circuit電 導 納gd： 擴 散 電 導Cd： 擴 散 電 容Cj 並 聯 擴 散 電 阻 rd與 Cd串 聯 電 阻 ： N-與 P-區 有 限 電 阻 ， 有 摻 雜 但 傳 導率 非 無 窮 大 。小 訊 號 等 效 電 路 用 來 發 展 電 晶 體 的小 訊 號 模 型 ， 用 在 電 晶 體 放 大 器 的分 析 設 計 上 dd j

66、wCgY 簡 易 版完 整 版二 極 體 電 路 ： AC等 效 電 路 (8/8) -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 70/86 其 他 形 式 的 二 極 體 (1/13)太 陽 能 電 池 -將 光 能 轉 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 產 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 生 壓 降 即 供 應 電 力可 由 矽 、 砷 化 鎵 或 其 他 三 五 族 複 合 半 導 體 材 料 所 製 -Donald A. Neamen-Microelectronics Circuit Analysis and Design 71/86 光 檢 測 器 -將 光 的 訊 號 轉 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 生 多 出 電 子 電 洞 在 空 間 電 荷 區 被 電 場 快