《ch1-基本概念-PN结-二极管教学案例》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ch1-基本概念-PN结-二极管教学案例（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、(1-1),模拟电子技术,第一章 半导体器件,(1-2),一. 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物(如硫化镉)、氧化物(如氧化锌)等。,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 本征半导体,(1-3),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,完全纯净的、
2、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,(1-4),二.本征半导体的结构特点,现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,(1-6),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,硅和锗的每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(1-7),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,(1-8),三.本征半导体的载流子和导
3、电机理,在绝对0度（T=0 K）和没有外界激发(如光照)时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运载电荷的粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使极少数的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子:自由电子和空穴,(1-9),自由电子,空穴,束缚电子,(1-10),2.本征半导体的导电机理,空穴吸引附近的束缚电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电的载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,(1-11),本征
4、半导体的导电能力取决于载流子的浓度：温度越高则载流子浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体中电流由两部分组成：自由电子移动产生的电流；空穴移动产生的电流。,四.本征半导体中载流子的浓度,本征激发 复合 动态平衡 在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,(1-12),1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P （Positive，正）型半导体： 空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空
5、穴半导体。,N （Negative，负）型半导体： 自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称电子半导体。,(1-13),在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,一、N 型半导体,(1-14),多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征
6、半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,(1-15),在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。,这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,二、P 型半导体,(1-16),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认
7、为多子与杂质浓度相等。,(1-17),1.1.3 PN结二极管器件的基石,一. PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,(1-18),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场(其方向即正电荷的受力方向)会阻止扩散运动，同时内电场越强则使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。,(1-19),当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(1-20),PN结的形成(动画）,(1-21),PN 结加上正向电压、正向偏
8、置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,二. PN结的单向导电性,P N结导通时的结压降0.7伏，因而会在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止P N结因正向电流过大而损坏。,(1-22),1.PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-23),2.PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,(1-24),三、PN结的电流方程（结电压u与电流i关系）,q为电子的电量；k为
9、玻尔兹曼常数； T为热力学温度；IS 为反向饱和电流。,温度的电压当量,(1-25),四. PN结的伏安特性,由PN结的电流方程可知,反向击穿 齐纳击穿(高掺杂)：耗尽层窄，反向击穿电压较小 雪崩击穿(低掺杂)：耗尽层宽，反向击穿电压较大,正向特性,反向击穿电压,反向特性,死区电压Vth指结正向电流由几乎为零转而开始明显增大那一点的结电压，此时正向电流仍不大，还不能满足电路应用。,(1-26),五.PN结的电容效应,(1) 势垒电容Cb (barrier capacity),是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,当PN结上的电压发生变化
10、时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,(1-27),当PN结加反向电压时， Cb明显随u的变化而变化（趋势较缓和），因此利用这一特性制成各种变容二极管。,由于 PN 结 宽度 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (u) 曲线如图示。,O,u,Cb,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,(1-28),(2)扩散电容Cd (diffused capacity),PN结正向偏置时：N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的浓度分布，在P区存贮了一定数量的电子，同样在N区也存贮了一定数量的空穴。当正向电压加大时，扩散
11、增强，P区的电子数和N区的空穴数将增多，相当于电容器的充电；当正向电压减小时，情况正相反。PN结外两个区域形成电荷堆积变化 扩散电容效应。,反向偏置时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,(1-29),总之，PN结呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即CjCb + Cd。正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容 CjCd ；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，CjCb 。,由于Cb与Cd一般都很小(结面积小的为1pF 左右,结面积大的为几十至几百皮法),对于低频信号呈现出很大的容抗。,对于电容，容抗为,由于半导体管中存在PN结电容（在电路中以并联形式存在），对信号构成
12、了低通电路，即频率足够低的信号对电路几乎不产生影响。因而，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。,(1-30),1.2.1常见基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,1.2 半导体二极管,1 点接触型二极管,2 面接触型二极管,3 平面型二极管,(1-31),死区电压是它的开启电压Uon，也就是说，在这个电压以下时，即使是正向的，它也不导通。,导通压降: 硅管0.7V, 锗管0.2V。,反向击穿电压U(BR),死区电压： 硅管0.5V, 锗管0.1V。,1.2.2 二极管的伏安特性,正向导通压降是在管子正向导通的时候，二极管两端的电压，也就是它引起的压降，此时正向电流变化时结
13、压降基本不变。,对比PN结：正向情况(考虑体电阻、引线电阻)、反向情况(考虑表面漏电流),制造PN结若在表面上沾上水汽或金属离子，引起离子导电(电流从N区电极沿半导体表面直接到P区电极)，往往成为反向电流的主要部分。,(1-32),实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移（正向导通压降及开启电压减小），反向特性将下移（反向电流增大）。,二极管的特性对温度很敏感。,室温附近，温度每升高1，正向导通压降减小22.5 m V；温度每升高10，反向电流约增大一倍。,(1-33),1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压U(BR)和最高
14、反向工作电压UR,U(BR)是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 手册上给的最高反向工作电压UR一般是U(BR)的一半。,1.2.3 二极管主要参数,(1-34),3. 反向电流 IR,指二极管加反向工作电压未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。,(1-35),4.最高工作频率fM交流参数,是二极管工作的上限频率。超过此值时，由
15、于二极管结电容的存在，二极管将改变特性（尤其是单向导通特性）,实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。,(1-36),1.理想模型 （大信号状态采用),等效电路如下：,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,1.2.4 二极管等效电路,由理想模型特性图可知，加正向偏压时，二极管压降为0。反向偏压时电阻为无穷大。相当于有一理想开关。常用于整流电路中,理想二极管,图P1.2,解图P1.2,硅二极管：死区电压=0 .5 V，正向压降0.7 V 理想二极管：死区电压=0 V ，正向压降=0 V,(1-38),2.恒压降模
16、型,正向导通时端电压为常量,自测题三、写出图中所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD=0.7 V。,UO1=1.3 V,UO2=0 V,UO3=-1.3 V,UO4=2 V,UO5=1.3 V,UO6=-2 V,二极管导通压降很低，因而会在它所在的回路中串联一个适当的电阻来起分压限流作用，防止二极管因正向电流过大而损坏。,加问：若V1分别为12 V、12.7 V、24 V时，开关闭合时又会如何？,若V1为12 V且开关闭合，二极管仍不足以导通，UO仍为12 V；,若V1为24 V且开关闭合，类似短路，二极管、电池（电池内阻很小，一般为微欧、毫欧级）会因电流过大而烧毁。,若V1为12.7 V且开关闭合，二极管刚好导通，此时相当于2个电池并联， UO仍为12 V；,P22,(1-41),3. 折线近似模型,等效电路如图：,特性等效电路：用斜折线代替实际二极管特性曲线，更趋于逼近。其中， rD为折线段电阻，Uon为二极管开启电压（即死区电压，通常为0.5 V ），正向电压大于Uon后与电流成线
