ch1基本概念PN结二极管

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),单击此处编辑母版标题样式,(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,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、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,Ge,Si,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-,5,),Si,的原子序数为,14,，有,14,个电子绕核旋转,外层电子离核最远，受到的束缚最弱，称为,价电子,。,Si,原子结构简图,（,Ge,原子序数,32,）,+4,表示除去价电子后的原子,(1-,6,),硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,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,),+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,(1-,10,),2.,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,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,),+4,+4,+5,+4,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,。,+4,+4,+3,+4,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,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,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。,P,型半导体,(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,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,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。,空间电荷区，,也称耗尽层。,(1-,19,),漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,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,),+,+,+,+,R,E,1.,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,。,(1-,23,),2.,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,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,为玻尔兹曼常数；,T,为热力学温度；,I,S,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,V,th,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,C,b,(,barrier capacit,y),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,-,N,空间,电荷区,P,V,R,I,+,U,N,空间,电荷区,P,R,I,+,-,U,V,当,PN,结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。,(1-,27,),当,PN,结加反向电压时，,C,b,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,C,b,不是一个常数,。其,C,b,=,f,(,u,),曲线如图示。,O,u,C,b,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,C,d,(diffused capacity),空穴浓度,电子浓度,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,C,j,相当于两者的并联，即,C,j,C,b,+,C,d,。正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容,C,j,C,d,；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，,C,j,C,b,。,由于,C,b,与,C,d,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,),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,阴极,N,阳极,P,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,U,on,，也就是说，在这个电压以下时，即使是正向的，它也不导通。,u,i,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,2,2.5 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,I,F,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),和最高反向工作电压,U,R,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,U,R,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,I,R,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。,