模电第二课教材

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1、2.1 半导体的基本知识 2.3 半导体二极管 2.4 二极管基本电路及其分析方法 2.5 特殊二极管 2.2 PN结的形成及特性 1 1 器件物理级 3 结构级 4 系统级 2 晶体管级 电路分析与设计的抽象级别 从器件的内部电场和电荷传输方面考虑分立器件的行为。 根据器件的电特性研究一组器件间的相互作用。 作为一个单元来研究几个组成块的功能。 从组成系统的子系统方面研究该系统的性能。 2 2.1 半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体 3 2.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体

2、、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 4 2.1.2 半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列 5 2.1.2 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 6 2.1.3 本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体形态。 空穴共价键中的空位。 电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。 7 2.1.3 本征半导体 空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次 填充空穴来实现的。 8 2.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 ，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂 质主要是三价或五价元素。掺入杂

3、质的本征半导 体称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼） 的半导体。 9 1. P型半导体 因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺 杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 三价杂质 因而也称为受主杂质。 10 2. N型半导体 因五价杂质原子中 只有四个价电子能与周 围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而 多余的一个价电子因无 共价键束缚而很容易形 成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多

4、数载流子，它主要由杂质原 子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。 11 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 3. 杂质对半导体导电性的影响 12 本征半导体、杂质半导体 2.1节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型

5、半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质 13 2.2 PN结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应 14 2.2.1 PN结的形成 图2.2.1 PN结的形成 15 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂 质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在 N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理 过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。

6、在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 称耗尽层。 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 16 2.2.2 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏 。 (1) PN结加正向电压时 PN结加正向电压时的导电情况 低电阻 大的正向扩散电流 PN结的伏安特性17 PN结的伏安特性 2.2.2 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为 加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏 。 (2) PN结加反向电压时 PN结加反向电压时的导电情况 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条

7、件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关， 这个电流也称为反向饱和电流。 18 PN结加正向电压时，呈现低电阻 ，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻 ，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。 19 2.2.2 PN结的单向导电性 (3) PN结V- I 特性表达式 其中 PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下（T=300K） 20 2.2.3 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压 增加到一定数值时，反 向电流突然快速增加， 此现象称为PN结的反向

8、击穿。 热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 可逆 电击穿 21 2.2.4 PN结的电容效应 (1) 势垒电容CB 势垒电容示意图 22 2.2.4 PN结的电容效应 (2) 扩散电容CD 扩散电容示意图 23 2.3 半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数 24 2.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平 面型三大类。 (1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电 容小，用于检波和变频等 高频电路。 (a)点接触型 二极管的结构示意图 25 (3) 平面型二极管

9、 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 (c)平面型 (4) 二极管的代表符号 26 2.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 硅二极管2CP10的V-I 特性 锗二极管2AP15的V-I 特性 正向特性 反向特性 反向击穿特性 27 2.3.3 二极管的参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM (3) 反向电流IR (4) 正向压降VF (5) 极间电容CB与CD 28 2.4 二极管基本电路及其分析方法

10、 2.4.1 二极管V- I 特性的建模 2.4.2 应用举例 29 2.4.1 二极管V- I 特性的建模 1. 理想模型3. 折线模型 2. 恒压降模型 30 4. 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 ，其正向特性可以等效成一个微变电阻。 即根据 得Q点处的微变电导 则 常温下（T=300K） 2.4.1 二极管V- I 特性的建模 31 2.4.2 应用举例 1. 二极管的静态工作情况分析 理想模型 （R=10k）（1）VDD=10V 时 恒压模型 （硅二极管典型值） 折线模型 （硅二极管典型值） 设 （2）VDD=1V 时（自看） 32 例2.4.2 提示 2.4.2 应

11、用举例 2. 限幅电路 33 例2.4.3 提示 2.4.2 应用举例 3. 开关电路 uO D1 VCC 5 V 4.7K uI1 uI2 D2 基本原则： 判断电路中的二极管处于导通 状态还是截止状态，可以先将二极 管断开，然后观察（或经过计算） 阳、阴两极间是正向电压还是反向 电压，若是前者则二极管导通，否 则二极管截止。 当 、 时，D1为正向偏置， （因二 极管是理想的），此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向 偏置，故D2截止。 VvI0 1 = 二极管“与”逻辑电路34 2.5 特殊体二极管 2.5.1 稳压二极管 2.5.2 变容二极管 2.5.3 光电子器件 1. 光

12、电二极管 2. 发光二极管 3. 激光二极管 35 2.5.1 稳压二极管 1. 符号及稳压特性 (a)符号 (b) 伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作 在反向电击穿状态。 36 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ 下，所对应的反向工作电压。 rZ =VZ /IZ (3)最大耗散功率 PZM (4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin (5)稳定电压温度系数VZ 2. 稳压二极管主要参数 2.5.1 稳压二极管 37 2.5.1 稳压二极管 3. 稳压电路 正常稳压时 VO =VZ # # 稳压条件是什么？稳压条件是什么？ IZmin IZ IZmax # # 不加不加R R可以吗？可以吗？ # # 上述电路上述电路V V I I 为正弦波，且幅值为正弦波，且幅值 大于大于V V Z Z ， V VO O的波形是怎样的？ 的波形是怎样的？ 38 作业 2.4.1 2.4.5 2.4.6 2.5.4 39