《3002大班文件XXXX级电子电路一讲稿(新)12精编版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3002大班文件XXXX级电子电路一讲稿(新)12精编版（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.1 半导体基础知识,半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料； 原子之间的共价键键能较弱。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1.1.1 本征半导体,概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。,硅和锗的共价键结构：,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,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
2、电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,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。,本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子： 自由电子 空穴,复 合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程。,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体中载流子的浓度：,式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度； A0是与半导体材料有关的常数； k是波尔兹曼常数，k8.6310-5(eV.K-1)； Eg0是T0K时的禁带宽度。,结论：本征半导体中
3、的自由电子浓度和空穴浓度相同， 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系。,1.1.2 杂质半导体,概念：掺入了杂质元素的半导体。,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。,两种类型的杂质元素： 施主杂质（高价元素，提供电子） 受主杂质（低价元素，提供空位）,1.1.2.1 N型半导体,概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质）使半 导体中的电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。,多余 电子,磷原子,掺杂浓度远大于本征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
4、子）。,1.1.2.2 P型半导体,概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质）使半 导体中的空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,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。近似认为多子与杂质浓度相等。,1.1.2.3 杂质半导体中的载流子浓度,结论： 杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的乘积等于同温 度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方。 杂质半导体中，多子的浓度近似等于掺杂浓度，少子 浓度随温度升高而迅速增大。,nnpn=ni2=pi2,nppp=ni2=pi2,
5、nn=ND+pn,pp=NA+np,N型半导体：,P型半导体：,式中：nn表示N型半导体中自由电子浓度，pn表示N型半导体中 空穴浓度，np表示P型半导体中自由电子浓度，pp表示P 型半导体中空穴浓度，ni，pi分别表示本征半导体中自由 电子和空穴浓度，ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂 质浓度,1.1.3 载流子在半导体内的运动,1.1.3.1 载流子在电场作用下的漂移运动,概念：在外加电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动,Jpt=p qpE,Jnt=-(-q)nn E= n qnE,Jt=Jpt+Jnt=(pp+nn)qE,式中：Jpt 表示空穴漂移电流密度； Jnt 表示电子漂移电流
6、密度； Jt 表示漂移电流密度； n 表示自由电子迁移率； p 表示空穴迁移率。,1.1.3.2 载流子在浓度梯度作用下的扩散运动,概念：在浓度差的作用下，自由电子和空穴产生的定向运动,式中：JnD 表示电子电流密度； JpD 表示空穴电流密度； Dn 表示自由电子扩散率； Dp 表示空穴扩散率。,1.2 PN结与晶体二极管,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。,1.2.1 PN结的动态平衡过程和接触电位差,P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多子）向N区扩散，N区
7、的自由电子（多子）向P区扩散，在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场，分别称为接触电位差和内建电场，内建电场由N区指向P区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的漂移运动，漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩,散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等，这种平衡称为动态平衡，这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空间电荷区宽度均处于稳定值，这时我们认为PN结已经形成，并把P、N的过渡带称为PN结，PN结的宽度为空间电荷区的
8、宽度。,PN结的接触电位差：,T=300K 时，锗的V0.20.3V，硅的V0.60.8V,P型半导体,N型半导体,内电场E,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区， 也称耗尽层。,所以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。,空间电荷区,N型区,P型区,V0,1.2.2 PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型,在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管欧姆接触：通过隧道效应，消除金属半导体势垒的接触方式,1.2.2.1 单向导电性,PN 结加上正
9、向电压、正向偏置的意思都是： 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。,概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。,二极管基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,PN 结正向偏置,内电场,外电场,变薄,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。,PN 结反向偏置,内电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，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,外电场,1.2.2.2 伏安特性,伏安特性指流过二极管的电流
10、与二极管两端电压之间的关系式或曲线。,二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示：,式中：iD 表示流过二极管的电流； vD 表示二极管两端的电压，正向偏置为正； Is 表示反向饱和电流（硅：10-910-15 A）。,二极管的伏安特性曲线：,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,1.2.2.3 二极管的电阻,直流等效电阻 RD：,交流（动态）电阻 rd：,1.2.2.4 二极管的交流小信号模型,1.2.3 PN结的反向击穿特性与高稳定性埋层齐纳稳压管,Izmin为稳压管DZ的最小允许电流，Izmax为最大允许电流，
11、输入电压vI在VIminVImax变化时，要使DZ正常工作，则限流电阻R必须满足下列关系：, 在VImax和Ilmin时，IZ应不超过最大允许电流Izmax：, 在VImin和Ilmax时，IZ应不低于最小允许电流Izmin：,稳压二极管,U,IZ,IZmax,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,齐纳击穿与雪崩击穿,齐纳击穿：掺杂浓度很高（例如ND=NA=1018/cm3）的PN结 很薄，例如宽度只有0.04m，只要对PN结加上 不大的反向电压，就可以产生很强的电场，例如 反压4V，场强可达106V/cm。强电场可强耗尽区 内原子共价键中的电子拉出，自由电子和空穴成 对产生
12、，反向电流剧增。齐纳击穿电压较低（6V）,雪崩击穿：掺杂浓度较低的PN结较厚，在较大的反向电压时 形成漂移电流的少子在耗尽区内获得加速，动能 越来越大，在反向电压大到漂移少子的动能足以 撞击出耗尽区内原子的共价键电子，产生自由电子 和空穴，新生电子又撞击出其他自由电子，反向 电流剧增。雪崩击穿电压较高（6V),埋层齐纳击穿稳压管：,齐纳管被掩埋在顶层硅晶体下面，噪声很小，温度稳定性很高,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 VZ,（3）动态电阻,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,1.2.4 PN结的结电容特性与变容二极管,PN结电容CJ包括势垒电
13、容CT和扩散电容CD 即：CJ=CTCD,1.2.4.1 势垒电容CT,反偏电压变化引起耗尽区厚度变化，从而引起PN结中的电荷量变化，这种电容效应称为势垒电容。,式中：CT 表示势垒电容数值； Q 表示PN结的电荷量； vD 表示二极管的偏置电压,突变结CT与反偏电压的关系式：,(n=0.5),式中：CT(0) 表示vD=0时 的势垒电容。 V 表示接触电位差,1.2.4.2 扩散电容CD,PN结正偏时，载流子在扩散过程中存在电荷积累，正偏电压大，积累电荷多，反之积累电荷少，这种电容效应称为扩散电容。,式中：表示非平衡载流子的平均寿命。,1.2.5 PN结的温度特性,1. PN结正向电压的温度
14、系数 vD,保持二极管正向电流不变，温度变化1所引起的vD 变化 vD-(1.92.5)mV/,2. PN结的反向饱和电流随温度按指数规律变化,不论是硅管还是锗管，反向电流大约随温度每变化10而变化一倍。锗管的IS（T0）要比硅管大36个数量级,1.2.6 二极管的主要常数,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VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VR一般是VBR的一半。,3. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流值。稍大于反向饱
15、和电流 IS 。,4. 最高工作频率fM,由PN结电容决定的参数，二极管的工作频率高到一定的程度，CJ对PN结起的旁路作用不容忽略，工作频率超过fM，二极管的单向导电性能变坏。,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管的应用举例1：二极管半波整流,二极管的应用举例2：,负载电阻：,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。, 方程 1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。, 方程 2,联立方程1、2，可解得：,1.3 双极型晶体管（BJT）,概念：由三个杂质半导体区（发射区，基区，集电区） 及两个PN结（发射结和集电结）构成的，有两 种载流子（自由电子和空穴）在其内部作扩散、 复合、漂移等复杂运动的PNP或NPN晶体管。,NPN型三极管,PNP型三极管,双极型晶体管的基本结构：,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,发射结,集电结,1.3.1 BJT工作原理,1.3.1.1 BJT内部载流子的传输过程,1.多子通过
