模拟电子-半导体基础知识二极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,1.1 半导体基础知识,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体是,硅Si,和,锗Ge，,它们都是4价元素,。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为,价电子,。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为,自由电子,，,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,一.本征半导体,本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为,本征激发，,也称,热激发,。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为,空穴,。,空穴,可见本征激发同时产生电子空穴对。,外加能量越高（,温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对的浓度,硅：,锗：,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,电子空穴对,自由电子 带负电荷 逆电场运动 电子流,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,E,总电流,载流子,空穴 带正电荷 顺电场运动 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：,温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,二.杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为,杂质半导体,。,1.,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为,N,型半导体,。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N型半导体,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,P型半导体,受主离子,空穴,电子空穴对,2.,P,型半导体,杂质半导体的示意图,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N型半导体,多子电子,少子空穴,P型半导体,多子空穴,少子电子,少子浓度本征激发产生，与温度有关,多子浓度掺杂产生，与温度无关,内电场E,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,三.,PN,结及其单向导电性,1.PN结的形成,少子漂移,补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E,多子扩散,又失去多子，耗尽层宽，E,内电场E,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,势垒 U,O,硅 0.5V,锗 0.1V,2.PN,结的单向导电性,(1),加正向电压（正偏）,电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。,外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子,扩散形成正向电流,I,F,正向电流,(2),加反向电压,电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。,外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流,I,R,P,N,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故,I,R,基本上与外加反压的大小无关,，,所以称为,反向饱和电流,。但,I,R,与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；,PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3.PN结,的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,I,F,（多子扩散）,I,R,（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,根据理论分析：,u,为PN结两端的电压降,i,为流过PN结的电流,I,S,为反向饱和电流,U,T,=,kT/q,称为温度的电压当量,其中,k,为玻耳兹曼常数,1.3810,23,q,为电子电荷量1.610,9,T,为热力学温度,对于室温（相当,T,=300 K）,则有,U,T,=26 mV。,当,u,0,u,U,T,时,当,u,|,U,T,|时,4.PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1)势垒电容,C,b,(2)扩散电容,C,d,当外加正向电压,不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程,。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,C,j,=,C,b,+,C,d,1.2 半导体二极管,二极管=PN结+管壳+引线,N,P,结构,符号,阳极,+,阴极,-,一、二极管的几种常见结构,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。,PN 结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用,于低频大电流整流电路。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,用数字代表同类器件的不同规格。,代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。,代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。,2代表二极管，3代表三极管。,二、二极管的伏安特性,硅：0.5 V,锗：,0.1 V,(1)正向特性,导通压降,反向饱和电流,(2)反向特性,死区,电压,击穿电压,U,BR,实验曲线,u,E,i,V,mA,u,E,i,V,uA,锗,硅：0.7 V 锗：0.3V,三.二极管的主要参数,(1)最大整流电流,I,F,二极管长期连续工作时，允许,通过二极管的最大整流,电流的平均值。,(2)最高反向工作电压,U,R,二极管工作时允许,外加的最大反向电压,(3),反向电流,I,R,未击穿时的反向电流值。硅为纳安(nA)级；锗为微安(,A)级。,(4)最高工作频率,f,M,四.二极管的等效电路,例：,I,R,10V,E,1k,D非线性器件,i,u,RLC线性器件,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,理想二极管模型,正偏,反偏,导通压降,二极管的VA特性,D,U,串联电压源模型,U,D,二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,二极管的折线近似模型,正偏,反偏,导通压降,二极管的VA特性,二极管的近似分析计算,I,R,10V,E,1k,I,R,10V,E,1k,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管模型,R,I,10V,E,1k,相对误差,0.7V,例：,二极管构成的限幅电路如图所示，,R,1k,，,U,REF,=2V，输入信号为,u,i,。,(1)若,u,i,为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流,I,和输出电压,u,o,解,：,（,1）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,（2）如果,u,i,为幅度,4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：,采用理想二极管,模型分析。波形如图所示。,0,-4V,4V,u,i,t,2V,2V,u,o,t,0,2.7V,u,o,t,0,-4V,4V,u,i,t,2.7V,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,微变等效电路是小信号模型,。是指二极管的端电压或电流在某一固定值附近作微小变化时的模型。,用,动态电阻,来等效。如图所示：,2.二极管的微变等效电路,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流I,Z,在I,zmax,和I,zmin,之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,五、稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,稳压二极管的主要参数,(1)稳定电压,U,Z,(2)动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,r,Z,=,U,/,I,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3)稳定电流,I,Zmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,(4)额定功耗,P,ZM,稳定电压与最大稳定电流,I,zmax,的乘积,(5)温度系数,稳定电压小于4V的，为负温度系数；大于7V为正温度系数；中间的，温度系数非常小,例：,分析简单稳压电路的工作原理，,R,为限流电阻。,I,R,=,I,Z,+,I,L,U,O,=,U,I,I,R,R,U,I,U,O,R,R,L,I,L,I,R,I,Z,R,L,I,L,I,R,U,O,I,Z,I,R,U,O,作 业（P65）,3、4、6、7,