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1、电子线路（线性部份）,1.1 半导体物理基础知识,1.3 晶体二极管电路分析方法,1.2 PN结,1.4 晶体二极管的应用,1.0 概述,第一章 晶体二极管,电子线路：指包含电子器件、并能对电信号实现某种处理的功能电路。,第一章 晶体二极管概述,电路组成：电子器件 + 外围电路。,电子器件：二极管、三极管、场效应管、集成电路。,外围电路：直流电(压)源、电阻、电容、电流源等。,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。处理模拟信号的电子电路,称模拟电子线路（线性、非线性）。,任务：不失真地传递信号(信息),或对信号进行处理。,半导体二极管的结构,(1) 点接触型二极管,1.0 概述,PN结面积小
2、，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分三大类:点接触型、面接触型和平面型。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,构成:实质上就是一个PN结。,PN结+引线+管壳,半导体二极管（简称二极管）,+,-,阳极,阴极,二极管的几种外形,特性：单向导电性。,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,1.0 概述,晶体二极管
3、结构及电路符号：,PN结正偏（P接+、N接-），D导通。,晶体二极管的主要特性：单方向导电特性,PN结反偏（N接+、P接-） ，D截止。,即,主要用途：用于整流、开关、检波电路中。,（按电导率分）,导体：低价元素（如Cu铜、AI铝等）,导电性能好;,绝缘体：高价元素（如惰性气体）,或高分子物质（如云母、橡胶）,导电性能极差;,半导体：四价元素(如Si、Ge等)。,导体:电阻率?低于10-3cm的物质。 绝缘体:电阻率?高于109cm的物质。,1.1 半导体物理基础知识,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,1、硅 ( Si ) 、2、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：,3、砷化镓G
4、aAs等。,Ge,Si,一、硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。,硅和锗共价键结构示意图：,1.1.1 本征半导体,化学成分纯净的、在物理结构上呈单晶体形态。,电子空穴对,因共价键具有很强的结合力，当T=0K和无外界影响时，无自由移动的电子，即没有载流子？，不导电。,这种现象称为,注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,本征激发。,二、本征激发和复合,载流子：在电场下，能运载电荷形成电流的带电粒子。如自由电子。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时，在原来共价键的相应位置留下一个空位(空穴)的过程。,当原子中的价电子激发为自由电子时
5、，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时，形成一种运动，可等效看作是空穴的运动。见后图。,注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。,自由电子 带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空 穴 带正电,复合:自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,空穴的移动,空穴,自由电子,温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。,三、热平衡载流子浓度,热平衡载流子浓度：,(1-1-1),一、N型（电子型）半导体：,1.1.2 杂质半导体,本征半导体掺入少量五价元素（如磷、砷、锑等）构成,多余的一个价电子处于共价键之外，束缚力较弱而
6、成为自由电子。,特点：有两种载流子； 主要靠自由电子导电。,二、P型（空穴型）半导体,本征半导体中掺入少量三价（铝、硼、锢）元素构成。,这种杂质原子能吸收电子，称为“受主杂质”。,P型半导体的特点：,有两种载流子，即自由电子和空穴。空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,注意,P 型半导体和N型半导体仍呈电中性，只起电阻作用。,三、杂质半导体中（多子和少子）热平衡载流子 浓度？,P6,例3：杂质补偿：掺入不同的杂质（相反性质），可改变导电类型。电子型，空穴型。五价（磷、砷、锑等）。,(1-1-2),(1-1-3),(1-1-4),(1-1-5),掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的
7、影响，一些典型的数据如下:例13。,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,例3：硅，五价，N型；再三价（浓度更高），P型。杂质补偿。,1.1.3 两种导电机理漂移和扩散,载流子在电场作用下的运动,称为漂移运动，所形成的电流，称为漂移电流。看书P1-1-6图。P、N。,总漂移电流密度：,漂移与漂移电流,外加电场，(少子)定向运动。,注意:,(1-1-6),(1-1-7),(1-1-8),电导率：,半导体的电导率,电阻：,电压： V = E l,电流： I = S Jt,(1-1-9),载流子在浓度差作用下的运动，称为扩散运动，所形成的电流，称为扩散电流。P、N。
8、 P10,导/半区别, 有/无电场 = 有/无 电荷量差。浓度差。,扩散电流密度:,扩散与扩散电流,光照或恒温，浓度差，(多子)定向运动。,注意:,(1-1-10),(1-1-11),0,0,1.2 P+N结,P6例3,用掺杂工艺，把P型、N型半导体在原子级上紧密有机结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,N型,It,Id,1.2.1 动态平衡下的P+N结,阻止多子扩散,利于少子漂移,一、(PN结)阻挡层形成的物理过程,空间电荷区（一定宽度）,即P+N结,杂质离子,PN结的电位差为VB,(N区,P区）,P11 对称结与不对称结,空间电荷区，缺少多子，所以也称耗尽层。,注意：掺杂浓度（Na、N
9、d）越大，内建电位差 VB 越大，阻挡层宽度 l0 越小（1-2-5）。Xn、Xp,二、内建电位差：,三、阻挡层宽度 ：,(1-2-3),(1-2-2),(1-2-5),(1-2-1),温度的电压当量,本征半导体、杂质半导体。,复习：本节中的有关概念,自由电子、空穴。,N型半导体、P型半导体。,多数载流子、少数载流子。,施主杂质、受主杂质。,1.2.2 PN结的伏安特性（单向导电性）,一、 PN结正偏伏安特性：,I,正向接法 或 正向偏置,P14, I ,P N 补充失去的。,二、PN结反偏伏安特性：,IR,结论：PN结具有单方向导电特性。,反向接法 或 反向偏置,P14, IR ,N P，书
10、0 补充失去的。,P15 IR=IS,R,三、PN结伏安特性方程式,PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大(见后)。,正偏时：,反偏时：,(1-2-3),(1-2-6),(1-2-7),P17 IS,PN结伏安特性曲线,V 0？,V 0？,0.2-0.3V,0.6-0.8V,开启电压：VD(on),四、PN结温度特性,温度每升高1，VD(on)约减小2.5mV。公式？,温度每升高10，IS约增加一倍。公式？,硅管：12 锗管：8,式(1-2-7)，V一定，T升高，VT不明显，但IS增很大。故曲线在左。,念书P18,1
11、.2.3 PN结的击穿特性,热击穿不可逆Izmax,（1-2-5）,机会多.,因为T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。,三、击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为T 价电子获得的能量 V(BR)。,四、稳压二极管（简称稳压管）,利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。,要求：Izmin Iz Izmax,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。,稳压区：反向击穿区。,稳压管的主要参数：,（1）稳定电压UZ：击穿电压。,（2）稳定电流IZ Izmin-Izmax,（3）额定功耗 PZM：允许的最大功率,（4）动态电阻rz：稳压时。,IZ,
12、好,要求：rZ,好,注意,稳压管电路，必须串联限流电阻！,工作在稳压状态的电流。,1.2.4 PN结的电容特性,势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。,一、势垒电容CT （反偏）,二、扩散电容CD 正偏，P多子扩散(注入)N,阻挡层外（P区和N区）贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。,(1-2-11),(1-2-12),多子扩散少子漂移,几千PF,几十PF,1.2.4 PN结的电容效应,(1) 势垒电容CT 反偏,势垒电容示意图,扩散电容示意图,(2)扩散电容CD 正偏,三、PN结电容,PN结反偏时，CT CD ，则 Cj CT,PN结总电容： Cj = CT + CD
13、,PN结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CT为主。,通常：CD 几十PF 几千PF。,通常：CT 几PF 几十PF。,四、变容二极管：应用:电调谐等(高频)。,(1-2-13),1.3 晶体二极管电路的分析方法,晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：四个。,适用于任一工作状态的伏安曲线模型；,便于计算机辅助分析(CAA)的数学模型；,1.3.1 晶体二极管模型,模型？例：R理想 ，V太大？f太高,分布？噪声？,一、数学模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,串联rS 体电
14、阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻,注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。,1.3.1 晶体二极管模型,(1-3-1),(1-2-6),二、曲线模型伏安特性曲线,晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。,1、定义:理想二极管,符号及 等效模型,(1)正偏,导通,短路,0；反偏,V0,截止,开路,D(on),0.7 V (Si),0.25 V (Ge),D(on),斜率1/ rD,(2)当反偏V0, i=0; 当i0,V=0,三、直流简化电路模型:,提出?非线性器件，导通后，伏安曲线的非线性第二位。折线(近似)。,三、直流简化电路模型,+,+,(1) 理
15、想模型 VD(ON)=0，RD=0,(2) 恒压降模型 RD=0,(3) 折线模型 VD(ON)=0,四、交流小信号电路模型,：二极管增量结电阻(肖特基)。,：PN结串联电阻，数值很小。,(3)Cj：PN结结电容=CD+CT两部分构成。值小，低频容抗大。,注意：高频中需考虑Cj的影响。因高频工作时， Cj容抗很小，PN结单向导电性，因Cj的交流旁 路（容抗小，并联）作用而变差。,(1-3-2),二极管工作在正向某小范围内，V=VQ+V ,则=直线。正向特性可等效rj,IQ为二极管的静态直流电流。,（室温T=300K ）,(2),(1),(1-3-3),mA,迭、叠加原理 ！P80,四、交流小信
16、号电路模型,说 明,动态电阻rj由静态工作点Q处切线斜率决定；,动态电阻rj是交流电阻；,静态工作点Q不同，rj就不同；,四、交流小信号电路模型,公式？IQ为二极管的静态直流电流，rj交流。,P24如果.? P25 (V)5.2mV， 响应?,数值计算法,分析二极管电路用：数值计算法、图解法、简化分析法、小信号等效电路法。,列出电路中的各种方程。,1.3.2 晶体二极管电路分析方法,利用二极管伏安特性数学模型（理想指数模型等）列电路方程，并借助计算机工具，进行数值计算。,要求：已知电路中所有器件的数学模型。,分析步骤：,将方程交给计算机辅助计算工具。,用迭代法等算法进行数值分析。,优点：可进行复杂电路的分析，且精度高。,一、图解分析法：1-15，一个交
