PN 接面

治金接面

跨此接面電子電洞皆有很大的濃度梯度 ☠ 接面

❆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 ❆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

❆空乏區(空間電荷區)：

●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

)(d a N N ：在p(n)區受(施)體濃度

V T ：熱電位，室溫T=300 ºK 約為0.026 V

因對數函數，V bi 與摻雜濃度關係不重，一般矽的pn 接面的V bi 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

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N a =1016 cm -3 而n 區摻雜至N d =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n i =1.5×1010cm -3 帶入公式可求得

])

105.1(1010ln[026.01017

16⨯⨯=bi V =0.757V

◎反偏下的PN 接面

2

/101-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=bi R j j V V C C

❆特性

●正電壓接在N 區

●外加電壓所形成電場

E A 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，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

❆接面電容(空乏層電容)

●C j0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

Example 1-6考慮在 T=300° K 下具N a =1016cm -3及N a =1016cm -3摻雜的矽pn 接面。設N a =1016cm -3且C jo =0.5P F 。計算V R =1V 及V R =5V 下之接面電容。

解：內建電位由下決定

V R=1V與V R=5V時的電容各為

V R=1V與V R=5V時的電容各為

◎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

❆順向電流的穩態條件

●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

❆理想電壓與電流關係

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡-=1T D

nV v S D e I i

●I S 為反向飽和電流，與摻雜濃度及接面截面積有關。對矽的PN 接面而言，其值在10-15至10-13 A

●V T 為熱電壓，室溫下約為0.026 V

●n 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

Example 1.7考慮一在 T=300° K 下之矽PN 接面，其I s =10-14A 且n=1。求v D =+0.70V 及v D =-0.70V 時之二極體電流。

解：v D =+0.70V 時，pn 接面乃順向偏壓，可得

v D =-0.70V 時，pn 接面乃反向偏壓，可得◎PN 接面二極體

❆PN 接面之電流-電壓特性

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡-=1T D

nV v S D e I i

●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

●PN接面二極體：電壓控制的開關

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-I S，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)

❆溫度效應

●給定一電流，溫度增加則要求的反向偏壓減少

●V T為溫度之函數，對矽二極體而言約為2 mV/ºC

●I S為本質載子濃度n i之函數，所以與溫度強烈有關

理論上每增5 ºC，I S約變為雙倍

真正反偏二極體電流一般是每增

10 ºC則變雙倍(含V T之影響)

●鍺二極體的n i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，

此不利於多數電路應用

◎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 V

●PIV反向電壓尖值：若要避免崩潰則不可超過此值

❆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