整流管及其物理基础..doc

本征半导体（纯净半导体） 硅晶体结构 当不存在热能时，即温度为绝对零度T=0K或T=-273。15度，所有的电子都束缚在对应的原子上，半导体不导电，而当温度升高时如在室温27度或300K的条件下，半导体硅晶体中的价电子能量增大，一部分价电子能获取大于禁带宽度的能量，跃迁到导带中去成为自由电子，这些自由电子形成带负电的载流子，允许电流传导。在半导体中用n表示传导电子的浓度。同时，当一个电子打破共价键，留下一个带正电的空位，后者可以被另一电子占据。这种形式的空位称为空穴，其浓度用p表示。在室温下硅的n=p仅为原子密度的三万亿分之一，硅的原子密度为4。96X10E+22厘米-3，n=1。5X10E+10厘米-3，因此，室温条件下半导体的导电能力是很微弱的。随着温度的增加n显著增大。根据理论分析和实验结果得到：在室温附近，对硅来说，温度每升高8度左右，Ni就增加一倍。环境温度对半导体的电性能有很大的影响，由于功率损耗使器件内部加热，可造成超过100-150度的温升。Ni也与光照有关。 电阻 R=U/I=EL/JS，电阻率ρ=E/J=1/QNi（μn+μp）。实验测定在室温时，本征硅的电阻率为2。14X10E+5欧姆厘米。常常用电阻率来区分导体、半导体和绝缘体。导体的电阻率少于10E-4欧厘米，绝缘体的电阻率大于10E+9欧姆厘米，半导体的电阻率在10E-3---10E+9欧厘米之间。 N型半导体和P型半导体 通过引入杂质原子可以引发半导体的电特性作较大的改变。这种过程称为掺杂。制造半导体二极管和三极管的材料是杂质半导体。掺入五价元素如磷得到的为N型半导体，掺入三价元素如铝得到的为P 型半导体。 一般杂质的浓度ND、NA在10E+14----10E+18，杂质半导体的电阻率在几十欧厘米至10E-3欧厘米。N型半导体中的电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。在P型半导体中空穴为多数载流子，电子为少数载流子。半导体器件同样被分成两类：1、多数载流子器件：电流通过多数载流子传导。例如N型半导体中的电子，或P型半导体中的空穴。2、少数载流子器件：电流通过少数载流子传导，例如N型半导体中的空穴，或P型半导体中的电子。这两类不同的工作制机，造成了在反向恢复上的重大差异。 PN结 P型和N型半导体的物理接触由于在载流子浓度上的差别，引起穿过界面的电流，这种电流被称为扩散电流，它由电子和空穴组成。动态平衡时形成PN结。扩散阻挡层电压Vdiff=VTLN（NAND/Ni2）在室温下，热电势VT=KT/Q=26mV，给定掺杂浓度NA=1X10E+18厘米-3，ND=5X10E+15厘米-3，Vdiff= VTLN（NAND/Ni2=0.796V。若ND=5X10E+15厘米-3，NA=10E+15厘米-3则Vdiff=0.6159V，DN=0.1643um，DP=0.8214um，Cj=10。一般地说，PN二极管的总电容C可粗略地分为三个区域： 1． VA0，只有耗尽层电容是重要的：C=Cj 2． 0VAVdiff，耗尽层和扩散电容相组合：C=Cj+Cd 3． VA Vdiff，只有扩散电容是重要的：C=Cd。它是由于储存在半导体层中的扩散电量Qd（少数载流子）的存在而出现的。 如果考虑二极管工作在VA=1V，并设定渡越时间100PS，和在室温下测量反向饱和电流等于10-15A，扩散电流影响增强，求出C=Cj=194nF。这个电容值是相当大的，对于典型的电阻R=0。1?1R会产生大的时间常数，限制了常规PN结二极管的高频应用。 肖特基二极管 肖特基分析了当金属电极接触一半导体时所涉及的物理现象。和P型半导体接触，就有电子向金属扩散的趋势，而在半导体中留下空穴，使其中的空穴浓度增加，得到一电阻性接触。和N型半导体接触，出现类似PN结的性能， 电子从N型半导体中向金属扩散出去，留下空间电荷。耗尽层增大，直到空间电荷的静电排斥作用阻止电子进一步扩散为止。能量Wb=Q（Vm-X），若设定半导体的掺杂浓ND=10E+16厘米-3，金的逸出功Vm是5。1V，硅的电子亲和电势X=4。05V，二极管截面积A=10E-4厘米可计算得到肖特基阻挡层电势V=0。84V，空间电荷区长度ds=332μm，Cj=Aε/ds=3。2fF，这表明在同样截面积大小和同样掺杂下金属半导体二极管的耗尽层电容远比PN结小，使前者可工作在更高的频率。同时，与常规的PN 结相比，肖特基势垒二极管具有不同的反向饱和电流机制，它取决于穿过势垒的多数载流