扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容培训课件

2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体6/22/20241扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体根据物体导电能力能力(电阻率阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体、体、绝缘体和半体和半导体。体。典型的半典型的半导体有体有硅硅Si和和锗Ge以及以及砷化砷化镓GaAs等。等。6/22/20242扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空硅晶体的空间排列排列6/22/20243扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和硅和锗的原子的原子结构构简化模型及晶体化模型及晶体结构构6/22/20244扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.1.3 本征半导体本征半导体本本征征半半导体体化化学学成成分分纯净的的半半导体体。它它在在物物理理结构构上上呈呈单晶体形晶体形态。空穴空穴共价共价键中的空位中的空位。电子空穴对电子空穴对由由热激激发而而产生的自由生的自由电子和空穴子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相是靠相邻共价共价键中的价中的价电子子依次充填空穴来依次充填空穴来实现的。的。6/22/20245扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容空穴的移动空穴的移动6/22/20246扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半在本征半导体中体中掺入某些微量元素作入某些微量元素作为杂质，可使半可使半导体的体的导电性性发生生显著著变化。化。掺入的入的杂质主要是三价或五价元素。主要是三价或五价元素。掺入入杂质的本征半的本征半导体体称称为杂质半半导体体。N型半型半导体体掺入五价入五价杂质元素（如磷）的元素（如磷）的半半导体。体。P型半型半导体体掺入三价入三价杂质元素（如硼）元素（如硼）的半的半导体。体。6/22/20247扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 1.N型半导体型半导体 因五价因五价杂质原子中原子中只有四个价只有四个价电子能与周子能与周围四个半四个半导体原子中的体原子中的价价电子形成共价子形成共价键，而，而多余的一个价多余的一个价电子因无子因无共价共价键束束缚而很容易形而很容易形成自由成自由电子。子。在在N型半型半导体中体中自由自由电子是多数子是多数载流子，流子，它主要由它主要由杂质原原子提供子提供；空穴是少数空穴是少数载流子流子,由由热激激发形成。形成。提供自由提供自由电子的五价子的五价杂质原子因原子因带正正电荷而成荷而成为正离子正离子，因此五价因此五价杂质原子也称原子也称为施主施主杂质。6/22/20248扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.P型半导体型半导体 因三价因三价杂质原子原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价，缺少一个价电子而在共价子而在共价键中留下中留下一个空穴。一个空穴。在在P型半型半导体中体中空穴是多数空穴是多数载流子，流子，它主要由它主要由掺杂形成形成；自由自由电子是少数子是少数载流子，流子，由由热激激发形成。形成。空穴很容易俘空穴很容易俘获电子，使子，使杂质原子成原子成为负离子离子。三价三价杂质 因而也称因而也称为受主受主杂质。6/22/20249扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 掺入入杂 质对本征半本征半导体的体的导电性有很大性有很大 的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的本征硅的电子和空穴子和空穴浓度度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子本征硅的原子浓度度:4.961022/cm3 3以上三个以上三个浓度基本上依次相差度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后后 N 型半型半导体中的自由体中的自由电子子浓度度:n=51016/cm3 3.杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响6/22/202410扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 本征半本征半导体、体、杂质半半导体体 本节中的有关概念本节中的有关概念end 自由自由电子、空穴子、空穴 N型半型半导体、体、P型半型半导体体 多数多数载流子、少数流子、少数载流子流子 施主施主杂质、受主、受主杂质6/22/202411扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应6/22/202412扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.1 PN结的形成结的形成6/22/202413扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 在一在一块本征半本征半导体在两体在两侧通通过扩散不同的散不同的杂质,分分别形成形成N型半型半导体和体和P型半型半导体。此体。此时将在将在N型半型半导体和体和P型半型半导体的体的结合面上形成如下物理合面上形成如下物理过程程:因因浓度差度差空空间电荷区形成内荷区形成内电场 内内电场促使少子漂移促使少子漂移 内内电场阻止多子阻止多子扩散散 最后最后,多子的多子的扩散散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡平衡。对于于P型半型半导体和体和N型半型半导体体结合面，离合面，离子薄子薄层形成的形成的空空间电荷区荷区称称为PN结。在空在空间电荷区，由于缺少多子，所以也荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽耗尽层。多子的多子的扩散运散运动由由杂质离子形成空离子形成空间电荷区荷区 6/22/202414扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加当外加电压使使PN结中中P区的区的电位高于位高于N区的区的电位，称位，称为加加正向正向电压，简称称正偏正偏；反之；反之称称为加加反向反向电压，简称称反偏反偏。(1)PN结加正向加正向电压时PN结加正向加正向电压时的的导电情况情况 低低电阻阻 大的正向大的正向扩散散电流流PN结的伏安特性的伏安特性6/22/202415扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容PN结的伏安特性的伏安特性 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加当外加电压使使PN结中中P区的区的电位高于位高于N区的区的电位，称位，称为加加正向正向电压，简称称正偏正偏；反之；反之称称为加加反向反向电压，简称称反偏反偏。(2)PN结加反向加反向电压时PN结加反向加反向电压时的的导电情况情况 高高电阻阻 很小的反向漂移很小的反向漂移电流流 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的决定的少子少子浓度是一定的，故少子形成的漂移度是一定的，故少子形成的漂移电流是流是恒定的，基本上与所加反向恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，的大小无关，这个个电流也称流也称为反向反向饱和和电流流。6/22/202416扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。6/22/202417扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结V-I 特性表达式特性表达式其中其中PN结的伏安特性的伏安特性IS 反向反向饱和和电流流VT 温度的温度的电压当量当量且在常温下（且在常温下（T=300K）6/22/202418扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向的反向电压增加到一定数增加到一定数值时，反，反向向电流突然快速增加，流突然快速增加，此此现象称象称为PN结的的反向反向击穿。穿。热击穿穿不可逆不可逆 雪崩雪崩击穿穿 齐纳击穿穿 电击穿穿可逆可逆6/22/202419扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容容CB势垒电容示意容示意图6/22/202420扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(2)扩散散电容容CD扩散散电容示意容示意图end6/22/202421扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.3 半导体二极管半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数二极管的参数实物物图片片6/22/202422扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引上加上引线和封装，就成和封装，就成为一个二极一个二极管。二极管按管。二极管按结构分有构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面面积小，小，结电容小，用于容小，用于检波和波和变频等等高高频电路。路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的二极管的结构示意构示意图6/22/202423扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于结面积大，用于低频大电流整流电路。低频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号6/22/202424扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲二极管的伏安特性曲线可用下式表示可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向反向击穿特性穿特性6/22/202425扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流最大整流电流流IF(2)反向反向击穿穿电压VBR和最大反向工作和最大反向工作电压VRM(3)反向反向电流流I IR R(4)正向正向压降降VF(5)极极间电容容CBend6/22/202426扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流最大整流电流流IF(2)反向反向击穿穿电压VBR(3)反向反向电流流I IR R(4)极极间电容容势垒电容势垒电容CB 电扩散容电扩散容CDend6/22/202427扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容(1)势垒电容容CB势垒电容示意容示意图6/22/202428扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容势垒电容势垒电容CB是用来描述二极管势垒区的空间电荷随电压变化是用来描述二极管势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应的。而产生的电容效应的。PN结的空间电荷随外加电压的变化而结的空间电荷随外加电压的变化而变化，当外加正向电压升高时，变化，当外加正向电压升高时，N区的电子和区的电子和P区空穴进入耗区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电充电”，当外加电压降，当外加电压降低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从低时，又有电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB放放电，电，CB是非线性电容，电路上是非线性电容，电路上CB与结电阻并联，在与结电阻并联，在PN结反偏结反偏时其作用不能忽视，特别是在高频时，对电路的影响更大。时其作用不能忽视，特别是在高频时，对电路的影响更大。6/22/202429扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容(2)扩散散电容容CD扩散散电容示意容示意图6/22/202430扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容PN结的扩散电容结的扩散电容二极管正向导电时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压的变化而变化，当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，这就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，这样，就相应地要有载流子的“充入”和“放出”。因此，积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就可PN结的扩散电容CD描述。扩散电容反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况。CD是非线性电容，PN结正偏时，CD较大，反偏时载流子数目很少，因此反向时扩散电容数值很小。一般可以忽略。end6/22/202431扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容半导体二极管图片6/22/202432扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容6/22/202433扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容end6/22/202434扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 2.4.2 应用举例应用举例6/22/202435扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型6/22/202436扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范二极管工作在正向特性的某一小范围内内时，其正向特性可以等效成一个微其正向特性可以等效成一个微变电阻。阻。即即根据根据得得Q点点处的微的微变电导则常温下（常温下（T=300K）2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模6/22/202437扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.4.2 应用举例应用举例 1.二极管的静二极管的静态工作情况分析工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时恒恒压模型模型（硅二极管典型（硅二极管典型值）折折线模型模型（硅二极管典型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V 时（自看）（自看）6/22/202438扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容例例2.4.2 提示提示 2.4.2 应用举例应用举例 2.限幅限幅电路路6/22/202439扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.4.2 应用举例应用举例 3.开关开关电路路解：（解：（1）当）当vI1=0V、vI2=5V时，时，D1为正向偏置，为正向偏置，vO=0v（因二极管是理想的），此时（因二极管是理想的），此时D2的阴极电的阴极电位为位为5V，阳极为，阳极为0V，处于反向偏置，故，处于反向偏置，故D2截止。截止。（2）依此类推，将）依此类推，将vI1和和vI2的其余三种组合及输的其余三种组合及输出电压列于表出电压列于表1中。中。6/22/202440扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容表表1vI1 vI2 二极管工作状态二极管工作状态 vO D1 D2 0V 0V 导通导通 导通导通 0V 0V 5V 导通导通 截止截止 0V 5V 0V 截止截止 导通导通 0V 5V 5V 截止截止 截止截止 5V 6/22/202441扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容 2.4.2 应用举例应用举例 4.低电压稳压低电压稳压电路路end6/22/202442扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.5 特殊体二极管特殊体二极管 2.5.1 稳压二极管稳压二极管 2.5.2 变容二极管变容二极管 2.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管6/22/202443扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及符号及稳压特性特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向利用二极管反向击穿特性穿特性实现稳压。稳压二极管二极管稳压时工作在反向工作在反向电击穿状穿状态。6/22/202444扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容(1)稳定定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在在规定的定的稳压管反向管反向工作工作电流流IZ下，所下，所对应的的反向工作反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数二极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管6/22/202445扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容2.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路路正常正常稳压时 VO=VZRLIOIRVOIZIR VO当VI恒定而RL减小时将产生如下自动调整过程6/22/202446扩散电容CD扩散电容示意图PN结的扩散电容