模电课件第二章8-30

《模电课件第二章8-30》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电课件第二章8-30（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,2 半导体二极管及其基本电路,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,第一章 半导体器件,2.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,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、氧化物等。,一、导体、半导体和绝缘体,第一章 半导体器件,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

2、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、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.1 本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,本征半导体：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。,图 1.

3、1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,第一章 半导体器件,四、本征半导体中载流子的浓度,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。,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/

4、cm3,本征激发,复合,动态平衡,温度越高，载流子的浓度越高。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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓

5、度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。,小结：,2.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量(约十亿分之一）的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p

6、。 电子称为多数载流子(简称多子)， 空穴称为少数载流子(简称少子)。,5 价杂质原子称为施主原子。,二、 P 型半导体,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.4 P 型半导体,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度；半导体中的电流基本上是多子电路。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其

7、导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,2.1.3 PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,（动画1-3）,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动

8、漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,

9、外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT

10、26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10 PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，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。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,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,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。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于 PN 结

11、 宽度 l 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。, ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,PN结的电容效应,2.扩散电容CD,扩散电容示意图,当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。,二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两

12、部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：CD。,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管

13、。,点接触型,面接触型,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型： 结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高,面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低,平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大,半导体二极管图片,end,二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特

14、性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,三、二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化,理想 二极管,近似分析中最常用,理想开关 导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,击穿分两种,齐纳击穿（以下）（拉出来） 雪崩击穿（以上）（撞出来）,三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,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UBR,二极管反向击穿时的电压

15、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UWRM一般是UBR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。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。反向电流受温度的影响，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。下面介绍两个交流参数。,4. 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内

16、的电阻。,5. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,1.3.1 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,特殊二极管,（4）稳定电流IZ、最大、最