半导体二极管简介课件.ppt

1、乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 1半导体二极管简介半导体二极管简介乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司Leshan Radio Co.,Ltd乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 2索引：第一章：半导体介绍 第一节：半导体的物理特性 第二节：半导体的材料 第三节：本征半导体与自由电子及空穴 第四节：添加掺杂物质的半导体与电子及空穴 第五节：PN接合和势垒 第六节：空乏层与势垒 第七节：PN结面的电压和电流特性 第八节：掺杂物质的选择性扩散第二章：芯片介绍 第一节：Si晶

2、圆的制作 第二节：Si扩散类芯片制作 第三节：肖特基异质结类芯片制作 第三章：封装流程介绍 第一节：OJ类产品介绍 第二节：GPP/SKY类产品介绍 第三节：整流桥类产品介绍 第四节：玻壳封装类产品介绍第四章：二极管的种类及参数介绍 第一节：整流器件参数介绍 第二节：齐纳（稳压）器件参数介绍 第三节：保护器件（TVS）参数介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 3第一节：半导体的物理特性第一节：半导体的物理特性 【半导体】具有处于如铜或铁等容易导电的【导体】、与如橡胶或玻璃等不导电的【绝缘体】中间的电阻系数、该电阻比会受到下列的因素而变

3、化。如：杂质的添加、温度、光的照射、原子结合的缺陷 第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 4第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第二节：半导体的材料第二节：半导体的材料 硅(Si)与锗(Ge)为众所周知的半导体材料.这些无素属于元素周期素中的第IV族,其最外壳(最外层的轨道)具有四个电子.半导体除以硅与锗的单一元素构成之处,也广泛使用两种以上之元素的化合物半导体.硅、锗半导体硅、锗半导体 单结晶的硅、其各个原子与所邻接的原子共价电子（共有结合、共有化）且排列得井井有条。利用如此的单结晶，就可产生微观性的

4、量子力学效果，而构成半导体器件。化合物半导体化合物半导体 除硅（Si)之外，第III族与第V族的元素化合物，或者与第IV族元素组成的化合物也可用于半导体材料。例如，GaAs（砷化镓）、Gap（磷化砷）、AlGaAs（砷化镓铝）、GaN（氮化镓）SiC（碳化硅）SiGe（锗化硅）等均是由2个以上元素所构成的半导体。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 5第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第三节：本征半导体与自由电子及空穴第三节：本征半导体与自由电子及空穴 第IV族（最外层轨道有四个电子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族等价的化合物（

5、GaAs、GaN等），且掺杂极少杂质的半导体的结晶，称之为本征半导体（intrinsic semiconductor）本征半导体（本征半导体（intrinsic semiconductorintrinsic semiconductor）当温度十分低的时候，在其原子的最外侧的轨道上的电子（束缚电子（bound electrons）用于结合所邻接的原子，因此在本征半导体内几乎没有自由载子，所以本征半导体具有高电阻比。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 6第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第三节：本征半导体与自由电子及空穴第三节：本征半导体

6、与自由电子及空穴自由电子（自由电子（free electronsfree electrons）束缚电子若以热或光加以激发时就成为自由电子，其可在结晶内自由移动。空穴（空穴（holehole）在束缚电子成为自由电子后而缺少电子的地方，就有电子从邻接的Si原子移动过来，同时在邻接的Si原子新发生缺少电子的地方，就会有电子从其所邻接的Si原子移动过来。在这种情况下，其与自由电子相异，即以逐次移动在一个邻接原子间。缺少电子地方的移动，刚好同肯有正电荷的粒子以反方向作移动的动作，并且产生具有正电荷载子（空穴）的效力。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPa

7、ge 7第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第四节：添加掺杂物质的半导体与电子及空穴第四节：添加掺杂物质的半导体与电子及空穴 将第V族的元素（最外层的轨道有五个电子）添加在第IV族的元素的结晶，即会形成1个自由电子且成为N型半导体。将第族的元素（最外层的轨道有三个电子）添加在第IV族的元素的结晶，即会产生缺少一个电子的地方且成为P型半导体。N N型半导体（型半导体（N type SemiconductorN type Semiconductor）N型半导体中，自由电子电成为电流的主流（多数载了），并将产生自由电子的原子，称为“施体（donor）“。施体将带正电而成为固定电荷。不过也会存在极少的

8、空穴（少数载子）。作为N型掺杂物质使用的元素有：P 磷；As 砷；sb 锑P P型半导体（型半导体（P type SemiconductorP type Semiconductor）在P型半导体中，空穴成为电流的主流（多数载子），并将产生空穴的原子，称为“受体（acceptor）”。受体将带负电而成为固定电荷。不过也会存在极少的自由电子（少数载子）。作为P型掺杂物质使用的元素有：B 硼；in 锌乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 8第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第五节：第五节：PNPN接合和势垒接合和势垒 在接合前，由于P型半导体

9、存在与受体（负离子化原子）同数的空穴，而N型半导体存在与施体（正离子化原子）同数的电子，并在电性上成为电中性。将这样的P型半导体和N型半导体接合就会产生势垒。接合前为中性状态接合前为中性状态 接合前，在P型半导体存在着与受体（负离子化原子）同数的空穴，而N型半导体即存在着与施体（正离子化原子）同数的电子，并在电性上成为电中性。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 9第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第六节：空乏层与势垒（第六节：空乏层与势垒（depletion layerdepletion layerpotential barrierp

10、otential barrier）将P型与N型半导体接合时，由于P型与N型范围的空穴及电子就相互开始向对方散。因此在接合处附近，电子和空穴再接合后就仅剩下不能移动的受体与施体。该层称为“空乏层”。由于该空乏层会在PN接合部会产生能差，故将该能差称为“势垒”。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 10第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第七节：第七节：PNPN结面的电压和电流特性结面的电压和电流特性 如外加电压到PN接合处，使电流按照外加电压的方向（正负极）流通或不流通。这是二极管基本特性。外加正相电压到外加正相电压到PNPN接合面接合面

11、从外部在减弱扩散电位的方向（正极在P型而负极在N型）外加电压时，PN接合面的势垒就被破坏了，空穴流从P型半导体注入N型半导体，电子流则从N型半导体注入P型半导体，而扩散电流得以继续流动。电流流动的方向就称为“正向”。外加反向电压到外加反向电压到PNPN接合面接合面 从外部所外加的电压的极性与上述相反（负极为P型而正极为N型），在接合面使势垒变成需要再加上外部电位VR，其结果使空乏层的宽度更扩大。此时反向电流几乎不会流通，我们将这个方向称为反向（Reverse）乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 11第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第

12、八节：掺杂物质的选择性扩散第八节：掺杂物质的选择性扩散 如果用不纯物的原子置换结晶中的硅（4价）原子的一部分，即能制造P型（3价的掺杂元素：注入硼等），或者N型（5价的掺杂元素：注入磷等）半导体。注入掺杂 有以下方法：1 1、热扩散法（、热扩散法（Thermal Diffusion MethodThermal Diffusion Method）使用气体或固体作为杂质扩散源，并将单结晶基板（晶圆）放入扩散炉中加热（约1000），杂质就因扩散而掺入到硅结晶中。P型掺杂物使用硼，而N型掺杂物为磷、砷等。单结晶中的掺杂物浓度或浓度分布可由增减温度、时间、气体流量来加以控制。乐山无限电股份有限公司乐山无

13、限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 12第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第八节：掺杂物质的选择性扩散第八节：掺杂物质的选择性扩散2 2、离子注入法（、离子注入法（Ion-injection MethodIon-injection Method）将气体状的不纯物加以离子化，且用质量分析器将所注入的元素加以分离，并用电场作加速而打入半导体基板。若使用该注入方法，就能将不纯物浓度做精密控制，注入到目标位置和深度。但如果单是注入不纯物，仍无法显现P型、N型的性质，还必须有后续烧钝（退火）来将晶格中的硅原子加以置换为掺杂物原子的过程。通过扩散来改变半导体的极性时，必须将

14、浓度提升为比原来素材的不纯物浓度高，而且应使不纯物扩散。在扩散工程中只能操作增加浓度的方向。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 13第一章：半导体介绍第一章：半导体介绍第八节：掺杂物质的选择性扩散第八节：掺杂物质的选择性扩散3 3、气相成长法（、气相成长法（epitaxialepitaxial growth method growth method）这种方法如同在结晶基板接枝那样，使结晶成长的气相成长法（vaporphase growth method）。将晶圆在反应容器内加温至高温（约1200）并将掺杂物气体与硅烷气体（SiH4）、氢

15、混合，流通适量，就能在结昌基板上长成具有目的性极性和不纯物浓度的单结晶，且能做成比基板不纯物浓度更低的层或极性相反的层。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 14第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第一节第一节：SiSi晶圆的制作晶圆的制作制作制作SiSi单结晶单结晶 半导体器件需要Si纯度、结晶瑕疵少的单结晶，单结晶硅的制造方法有CZ法（齐克劳斯基法）及FZ法（悬浮区熔法）。利用多结晶Si材料制作单结晶Si材料时需要添加杂质，在基板上形成P型、N型的极性。1 1、CZCZ法（法（CzochralskiCzochralski method m

16、ethod）将不纯物体添加在超高纯度的多结晶硅基板，且在加热炉中溶解，并将晶种一面旋转且一面慢慢的加以提升，即会成长为棒状的单结晶晶锭。通过加减掺那时物质种类或添加量，即可控制半导体的极性与电阻比。2 2、FZFZ法（法（Floating Zone methodFloating Zone method）在加有添加化合物的气体的惰性气体的容器内将棒状的多结晶硅加以固定，再连接种子结晶、且从该部分按照环状的高频加热线圈、一面将硅溶解为带状并一面将线圈移动至上方，面制作单结晶晶锭。想制造高耐压功率晶体管或晶闸管等高电阻比的单结晶时，也有以中子束照射高纯度的FZ单结晶，且将一部分的硅变换为磷而制造N型

17、半导体的制法。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 15第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第一节第一节：SiSi晶圆的制作晶圆的制作(芯片制造的前工序）芯片制造的前工序）第一步、从硅单结晶晶柱切出晶圆状的晶圆（切成薄片：第一步、从硅单结晶晶柱切出晶圆状的晶圆（切成薄片：SlicingSlicing）将圆柱状的Si单结晶晶柱贴在支撑台上，再使带有钻石粒的内圆周刀刃旋转，就可切出圆盘状的晶圆。第二步、第二步、SiSi晶圆的表面抛光（研磨晶圆的表面抛光（研磨-精磨：精磨：PolishingPolishing）如果想制造缺陷少的器件，需要将Si晶圆

18、表面冒用机械或化学方法加以抛光成镜面，以去除表面的缺陷层。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 16第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第二节：第二节：SiSi扩散类扩散类(OJ)(OJ)芯片制作芯片制作乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 17第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第二节：扩散类第二节：扩散类(OJ)(OJ)芯片制作芯片制作乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 18第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第二节：扩散类第二节：扩

19、散类(GPP)(GPP)芯片制作芯片制作乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 19第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第二节：扩散类第二节：扩散类(GPP)(GPP)芯片制作芯片制作乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 20第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第二节：扩散类第二节：扩散类(GPP)(GPP)芯片制作芯片制作乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 21第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第三节：肖特基异质结类芯片制作第三节：肖特

20、基异质结类芯片制作 1 1、原理及结构：原理及结构：肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的 势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的 自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B 的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度表面逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势 垒，其电场方向为BA。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从AB的漂移运动，从而削弱了由于扩散 运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引

21、起的电子漂移运动和浓度不同引起的电 子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 22第二章：芯片介绍第二章：芯片介绍第三节：异质结类芯片制作第三节：异质结类芯片制作 2 2、生产流程：生产流程：乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 23第三章：第三章：封装流程介绍封装流程介绍第一节：第一节：OJOJ类产品介绍类产品介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 24第三章：第三章：封装流程介绍封

22、装流程介绍第二节：第二节：GPP/SKYGPP/SKY类轴向产品介绍类轴向产品介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 25第三章：第三章：封装流程介绍封装流程介绍第二节：第二节：GPP/SKYGPP/SKY类类SMASMA产品介绍产品介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 26第三章：第三章：封装流程介绍封装流程介绍第三节：整流桥类产品介绍第三节：整流桥类产品介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 27第三章：第三章：封装

23、流程介绍封装流程介绍第四节：玻壳封装类产品介绍第四节：玻壳封装类产品介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 28第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍第一节：整流器件参数介绍第一节：整流器件参数介绍 1、正向电流（IF）：在规定的使用条件下，在电阻性负载的正弦半波整流电路中，允许通过二极管的最大正向工作电流。在规格书的曲线中会谈到“Fig.1 Forward Current Derating Curve”，根据该曲线可以了解到 产 品的正向电流选用标准。2、正向电压（VF）：在额定电流条件下，产品脉冲测试的VF读值

24、（测试脉宽为300us）EAIF正向伏安特性曲线正向伏安特性曲线IFVF乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 29第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍第一节：整流器件参数介绍第一节：整流器件参数介绍 3、反向电压VR:在规定的使用条件下,二极管所允许连续施加的最大反向峰值工作电压;4、反向电流IR:在规定的使用条件下,二极管施加反向重复峰值工作电压所产生的最大峰值漏电流;5、反向击穿电压VB:二极管反向特性曲线急剧弯曲点的电压值;uAEIR反向伏安特性曲线反向伏安特性曲线VRVBIR注注:使用条件是指一定的温度和湿

25、度使用条件是指一定的温度和湿度.乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 30第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍第一节：整流器件参数介绍第一节：整流器件参数介绍 6、反向恢复时间(TRR):定义：电流通过零点由正向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图1所示。IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流。Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM或Irr=0.25IRM。当tt0时，正向电流I=IF。当tt0时，由于整流器件上的正向电压突然变成反向电压，因此

26、正向电流迅速降低，在t=t1时刻，I=0。然后整流器件上流过反向电流IR，并且IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。原理：对于普通PN结二极管，PN结内载流子由于存在浓度梯度而具有扩散运动，同时由于电场作用存在漂移运动，两者平衡后在PN结形成空间电荷区。当二极管两端有正向偏压，空间电荷区缩小，当二极管两端有反向偏压，空间电荷区加宽。当二极管在导通状态下突加反向电压时，存储电荷在电场的作用下回到己方区域或者被复合，这样便产生一个反向电流。乐山无限电股

27、份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 31第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍第二节：齐纳（稳压）器件参数介绍第二节：齐纳（稳压）器件参数介绍 1 1、原理：、原理：该产品是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其V-A曲线与普通硅整流二极管相似，但其反向击穿曲线比较陡（因为其工作于反向击穿区）。由于它在电路中与适当的电阻配合选用能够起到稳压的作用，因此称其为稳压管。在通常情况下，其反向偏置的PN结中只有一个很小的电流。这个漏电流一直保持一个常数，直到反向电压超过某个特定的值，超过这个值之后PN结突然开始有大电流导通。这个突然的意

28、义重大的反向导通就是反向击穿，如果没有一些外在的措施来限制电流的话，它可能导致器件的损坏。反向击穿通常设置了固态器件的最大工作电压。然而，如果采取适当的预防措施来限制电流的话，反向击穿的结能作为一个非常稳定的参考电压。乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 32第二节：齐纳（稳压）器件参数介绍（第二节：齐纳（稳压）器件参数介绍（Iz为工作工作电流，Uz为标称稳压电压，Uw为实际工作电压）2 2、应用参数介绍：、应用参数介绍：A、尽量避免使用低压齐纳管：当Uw7V），那曲线比较接近直角。对于低压的，例如3V的甚至1.5V电压时就有很大电流了，

29、直到Iz增加到数十mA，UZ才达到标称值，接近个抛物线。B、尽量不用齐纳管做保护的：实在要用齐纳管做保护，也要合理选择Uz，使UwmaxUmUzUfminUp。其中Uwmax是被保护电路最高工作电压，UwmaxUzUm就是要保证最高工作电压下漏电流也足够小；Ufmax是可能损坏器件的最低电压，UzUp0，即UZ会随IZ增加。确保“截止”的电压余量UM：D、参数选择时需要考虑稳压管的温度系数。温度系数表明产品在工作状态下产品的电压是会升高还是减低。E、高频选用需要考虑：齐纳管的反应是比较迟钝的，UW变化了，IZ并不会立即跟着变，而是有延迟。而且需要考虑结电容，而且结电容有时还相当大。因此在高频线

30、路应用应该考虑。第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.,LtdPage 33第三节：保护器件（第三节：保护器件（TVSTVS）参数介绍）参数介绍1 1、原理：、原理：该产品的制作与普通整流二极管的工艺类似，其V-A曲线与普通硅整流二极管相似，也同稳压管的相似。但其反向击穿曲线比稳压二极管要陡，是典型的PN结雪崩器件。同时，该产品还有双向器件，即其曲线为V-V曲线。第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍乐山无限电股份有限公司乐山无限电股份有限公司Leshan Radio Co.

31、,LtdPage 34第三节：保护器件（第三节：保护器件（TVSTVS）参数介绍）参数介绍1 1、应用参数介绍：、应用参数介绍：A、最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM：Vwm是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。B、最小击穿电压VBR和击穿电流IR：VBR是TVS最小的击穿电压。在25时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的IT电流时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5和10两种。C、最大箝位电压VC和最大峰

32、值脉冲电流IPP：当持续时间为2mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.21.4之间。D、最大峰值脉冲功耗PM：PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。第四章：二极管的种类及参数介绍第四章：二极管的种类及参数介绍