二极管的温度特性及应用实例研究_毕业论文(编辑修改稿)

二极管的温度特性及应用实例研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

为 N型半导体，另一端掺入受主杂质，成为 P型半导体，这两种杂质半导体紧密的接触在一起，在接触处保持晶格的连续性，在接触面便形成了一个 PN结。 PN结的势垒，在室温下，每一个受主杂质产生一个空穴，同时形成一个负离子；而每一个施主杂质将产生一个自由电子，同时形成+4 +4 +4 价电子 +4 +5 +4 自由电子 +4 +4 +4 +4 4 +4 价电子 空位 +4 +3 +4 受主杂质 +4 +4 +4 6 一个正离子。 在 PN结中 P区空穴密度高于 N区，空穴将越过交界面由 P区像 N区移动（即扩散），空穴由 P区扩散到 N区后，便会被复合。 同理，电子将越过分界面自 N区像 P区扩散，而在 N区留下不能移动的正离子，电子进入 P区也很快被复合。 这样，在分界面两边，形成正负离子区，在这个区域的载流子因扩散和复合而几乎消耗殆尽（即消耗区）。 分界面两边的正负电荷必然存在电场，方向由 N区指向 P区。 这一电场将阻止空穴和电子扩散，正负电荷存在的区域即为势垒区。 势垒区两侧半导体的少子进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子做定向移动，使 P区的电子进 入 N区，使 N区的空穴进入 P区。 这种在电场作用下少子的定向运动称为漂移。 势垒区的载流子，存在两种方向相反的运动，即扩散和漂移。 在无外加电压的情况下，两种运动所形成的电流大小相等，方向相反， PN结中建立起动态平衡。 PN结的内建电压随温度升高而减小，通常情况下，温度升高 10C，内建电压要减少。 这里需要指出的是温度不能太高，如果温度过高，本征载流子浓度大大增加，当本征载流子浓度超过掺杂浓度时，不管是原来的 P型区还是 N型区，都表现出本征半导体的特性，此时 PN结也就不存在了。 一般硅 PN结，正常工作时，温 度要低于 1500C，而锗 PN结要低于 800C。 2 二极管的特性 正向特性 PN结加正向偏置时，由于外加电压与 PN结的内建电场方向相反，从而使内建电场消弱，这就打破了原有的平衡状态，使 P区和 N区的多子向空间电荷区移动。 一旦进入空间电荷区势必中和一部分正离子和负离子使空间电荷量减少，空间电荷区（即耗尽层）宽度变窄（由 W变为 W’），势垒电压也有原来的 U 变为 UU ， 如图（ 21）所示。 由于势垒的下降，使扩散得以进行， 于是有较多的电子不断地从 N区扩散到 P区，较多的空穴不断的从 P区扩散到 N区。 扩散的载流子越过 PN结结面后，成为非平衡少子，它们在中性区将边扩散边复合，使非平衡少子的浓度不断降低，直到热平衡，形成了中性区非平衡少子的稳定分布。 PN结在正向电压作用下，电子从电源负极源源不断的进入 N区，到达势垒区的边界，由于扩散，越过 PN界面进入 P区并不断向内扩散，同时与 P区的空穴复合，因复合减少的空穴靠外界电源的正极不断提供正电荷而得到补充，空穴的扩散运动同上述过程类似。 电子、空穴不断连续的运动便形成了电流，其方向有 P区指向 N区。 因为它是在 PN结下形成的，所以称为正向电流，由半导体器件原理可以推出， PN结在正向电压 U作用 7 下产生的正向电流 I为 SII () 其中 pn po noSnPqS pDnDI LL () 式中， S 为 PN 结面积。 DN为电子扩散系数； DP为空穴扩散系数； LN为电子的平均 扩散长度； LP为空穴的平均扩散长度； NP0为 P区热平衡时少子浓度； PN0为 N区热平衡时少子浓度。 正向特性是指二极管作用正向电压的伏安特性曲线，当正向电压较小时，正向电流几乎为零，称为死区。 当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个数值的电压称为门槛电压即死区电压，记为 Vth。 小功率硅管的 Vth约为 ,小功率锗管的Vth约为 ，当正向电压高于门槛电压后，电流随电压基本上按指数规律增长，成为二极管的导通区，当正向电流达到一个较大数值后，二极管的正向电压变化很小，处于导通状态，对应的电压成 为导通电压，记为 Vooonnn。 小功率硅管的 Von约为 ， 图（ 21） PN 结正向偏置时耗尽层的变化 为叙述方便，通常取固定值 ；小功率锗管的 Von约为 ，为叙述方便，通常取固定值。 反向特性 当 PN 结的 P 区引出端接电源的负极， N区引出端接电源的正极，即 PN结加反向电压（反向偏置）时，外加电压产生的电场与 PN 结的内电场方向相同，加强了内电场打破了原有的平衡状态，使靠近 PN 结的 P区空穴向左移，靠近 PN结的 N 区电子向右移，从而使空间电荷区加宽，势垒电压也由原来的 U变为 UU ，如图（ 22）所示。 U UU W W’ X1 X2 N P+ U — + 8 图 (22) PN 结反向偏置时耗尽层的变化 由于势垒的提高，使得多子的扩散运动很难进行，扩散电流为零，但由于内建电场的增加，使 P 区和 N 区中的少子漂移运动成为主要的。 在强电场作用下， P 区的少子电子一旦到达空间电荷区的边界，就全部被扫向 N区；同样 N 区的少子空穴一旦到达空间电荷区的边界也全部被扫向 P 区。 所以， PN 结空间电荷区的边缘少子浓度趋于零。 在反向电压的作用下，越过界面的少子，通过回路形成反向电流，因为少子的浓度很低，所以反向电流很小，可以推得反向电流 Ir与反向电压的关系为： Ir    1eI UTUS （ ） 随着反向电压的增加，反向电流开始少有增加，当反向电压大于 时，eUTU 1，式（ ）可以写成： Ir IS （ ） 方向电流 Ir近似为常数，不再随反向电压变化而变化，称 IS为方向饱和电流。 反向饱和电流 IS与半导体的材料、掺杂浓度及工作温度有关。 一般硅 PN 结的 IS为 10151010A。 锗 PN 结的 IS为 1010107A；砷化镓 PN 结的 IS为 10171015A。 由以上分析可知，PN 结加正向电压和方向电压时的伏安特性均可用（ ）式表示。 正向电压时 U 为正值，反向电压时 U为负值。 正向电压从零开始增大时，正向电流增加较缓慢；当正向电压增大到一定值时，正向电流按指数规律增大，这时 PN结具有良好的导电性，电压Ur称为导通电压。 反向电压从零开始增大时，反向电流随反向电压增加而增加，但当反向电压大于 后，反向电流约等于 Is，不再随电压变化。 在反向电压作用下，向U — + U +U U W’’ W X1 X2 N P+ 9 电流很小， PN结的导电性能极差，可近似认为 PN结不导电，这表明 PN 结具有单向导电性。 在此需要指出的是：上述 PN结的伏安特性是在理想情况下推导出来的，因而具有一定的局限性。 在正向电流较小，在反向电压不大时，实际 PN 结的伏安特性与理想PN 结的伏安特性相近，超出此范围，就会出现较大的误差。 二极管的击穿问题 当 PN 结的外加反向电压超过某一数值 UB时，反向电流会突然猛增，而 PN 结两端的电压几乎不变，把这种现象称为 PN 结的反向击穿， UB称为反向击穿电压。 PN 结的反向击穿现象可以分为以下两种情况。 电击穿 按 PN 结反向击穿的机理，电击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿。 a 雪崩击穿 随着反向电压的提高，空间电 荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量液随之增加。 当反向电压接近击穿电压 UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子空穴对。 这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其他的中性原子使之电离，再产生更多的电子空穴对。 这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿，所以把这种击穿称为雪崩击穿。 雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低，外加反向电压又较高的 PN 结中。 这是因为掺杂浓度较低的 PN 结，空间电荷区宽度 较宽，发生碰撞电离的机会较多。 b 齐纳击穿 齐纳击穿的物理过程与雪崩击穿不同。 当反向电压增大到一定值时，势垒区内就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。 把这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。 齐纳击穿一般发生在在掺杂浓度较高的 PN结中。 这是因为掺杂浓度较高的 PN 结，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，不需要加很大的反向电压，就能建立起很强的电场，发生齐纳击穿。 一般来说，击穿电压小于 6V 时所发生 的击穿为齐纳击穿，击穿电压高于 6V 时所发生的击穿为雪崩击穿。 热击穿 上述的电击穿过程是可逆的，也就是说当 PN 结击穿时，只要 PN 结的反向电流限制在一定的范围内，使消耗在 PN 结上的功率未超出最大允许值， PN 结未被烧毁，那 10 么反向电压减小后， PN 结仍可恢复成原来的正常状态。 但是，如果反向电压和反向电流过大，使消耗在 PN 结上的功率超出了最大允许值，就将因 PN结结温过高，导致 PN结被烧毁，我们称它为热击穿。 热击穿将导致 PN结的永久性损坏，所以在工程上一定要避免出现。 常用的方法是限制 PN结上的功耗或通过加散 热片，强制风等手段，及时地把 PN 结上的热量散发出去。 3 温度的影响 当工作温度变化时将会使二极管的特性产生一系列的变化，温度对二极管的影响如图 (31)所示。 下面分别讨论一下温度对二极管正反向特性的影响。 图 (31)温度对二极管伏安特性的影响 在晶体管电路中，晶体管的偏置电流一旦确定，那么该电路中晶体管的工作点也就随之确定， PN 结厚度和它的结电容大小也就随之确定，不管是线性区还是饱和区，它都是固定的，工作点是不会发生改变的。 在一个固定的电路中，影响晶体管工作点的主要因素是晶体管的 PN 结厚度和结电容的大 小的变化，但是随着温度的变化，晶体管 PN结厚度和它的结电容大小会随温度的变化而变化，因此，总的来说，影响其工作点发生变化的主要因素是温度。 温度对二极管反向特性的影响 当温度升高时，热激发产生的载流子增加，使反向饱和电流 IS增加。 理论上 IS随温度的变化对硅管而言是 8%/0C，锗管是 10%/0C，工程上通常无论是硅管还是锗管，都近似认为是温度每增加 100C，反向饱和电流 IS增加一倍。 即： Is    2 1012 12 TTTIT S  () 11 温度对二极管正向特性的影响 当外加电压一定时，虽然 随着温度的增加而略有减小，但远没有 IS随温度增加的程度大，所 以二极管正向电流要增大。 若维持电流不变，则随着温度的增加，其正向电压必然要减小。 通常温度每升高一摄氏度，二极管的正向电压大约减少。 即： TU (2~)mV/0C () 通过以上讨论可知，温度的变化影响二极管特性，甚至会影响电路工作的稳定性。 因此，电路设计时因考虑温度对二极管特性的影响。 4 应用 众所周知，半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率、 PN 结的反向漏电流和正向电压等，都与温度有密切的关系。 在一般应用电路中，半导体材料和器件性能的这种对温度的依赖是一种缺陷，因为它会导致电路工作不稳定，所以总是尽量设法克服和避免。 然而与此相反，半导体温敏器件正是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现了对温度的检测、控制或补偿等功能。 根据工作机理，半导体温敏器件可分 为电阻型和 PN结型两大类，它们分别以半导体材料的电阻率和 PN结特性对温度的依赖关系作为其工作基础。 本文重点讨论并搭建了 PN 结型半导体测温传感器。 温敏二极管及其应用 随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下， PN 结的正向电压与温度之间的关系表现出良好的线性。 根据这一关系，可以利用二极管进行温度检测。 专用的砷化镓和硅温敏二极管，现已广泛用于 1400K 范围的温度测量。 由于砷化镓温敏二极管的磁灵敏度低，因此常常用于强磁场下的低温测量。 硅温敏二极管的磁灵敏度虽比砷化镓温敏二极管高，但由于 它的工艺成熟，成本低，且在低温下有较高的灵敏度，因此，是目前产量和用量最大的一种温敏二极管。 现在讨论利用 PN 结正向电压温度特性工作的温敏二极管的基本工作原理、特性和应用。 工作情况简介 由 PN 结理论可知，对于理想二极管，只要 UF大于几个 Tk0/q，其正向。