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第 一 章晶 体 二 极 管授课教师：王授课教师：王 欢欢EMAIL:晶体二极管晶体二极管结构示意图 典型的封装形式 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识半导体半导体：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。半导体的特点：半导体的特点：q当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。q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。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的电阻率为10-310-9*cm。1.1.1 本征半导体本征半导体对于半导体中常用的硅和锗，它们原子的最外层电子都是4个，即有4个价电子。一、一、本征半导体本征半导体硅或锗晶体的四个价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如图所示：它们称为单晶，是制造半导体的基本材料。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。本征半导体化学成分纯净的半导体。二、二、本征激发和复合本征激发和复合 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。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，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。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。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。三、三、热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度温度一定时，半导体中的本征激发和复合会在某一平衡载流子浓度值上达到动态平衡。此时热平衡载流子浓度为:1.1.2 杂质半导体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。成为杂质半导体N 型半导体：型半导体：掺入五价元素的杂质，可使晶体自由电子浓度大大增加，也称为（电子型半导体）。P 型半导体：型半导体：掺入三价元素的杂质，可使晶体空穴浓度大大增加，也称为（空穴型半导体）。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵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。+4+4+5+4+4+4+5+4+4+4+5+4多余多余电子子磷原子磷原子N型半导体中的型半导体中的自由电子浓度大自由电子浓度大大增加，而空穴大增加，而空穴浓度由于和自由浓度由于和自由电子复合机会变电子复合机会变大，浓度反而变大，浓度反而变小。小。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）。二、二、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵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。P型半导体中的空穴浓度大大增加，而自由电子浓度由于和空穴复合机会变大，浓度反而变小。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、多子和少子热平衡浓度三、多子和少子热平衡浓度不论P型或N型半导体，掺杂越多，多子数目就越多，少子数目就越少。I.当温度一定时，两种载流子的热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方II.半导体同时又处于电中性状态。n0，p0分别为自由电子和空穴的浓度；Nd为施主杂质浓度N型半导体:N型半导体:与温度T无关 与温度T有关 T升高,ni升高,p0升高,当p0n0时,杂质半导体变为类似的本征半导体.P型半导体具有相似的性质.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因差的主要原因.1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散一、一、漂移和漂移电流漂移和漂移电流 在外电场作用下，载流子将产生定向运动，其中自由电子逆电场运动，空穴顺电场运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动，由它产生的电流称为漂移电流。迁移率：单位场强下的平均漂移速度，与温度、掺杂浓度等有关。二、扩散和扩散电流二、扩散和扩散电流如图所示，半导体中任一假想面两侧存在浓度差，则从浓度大的一面流向浓度小的一面的载流子将多于从浓度小的一面流向浓度大的一面的载流子，从而造成载流子沿x方向的净流动。这种由浓度差而引起的载流子的运动称为扩散运动，并形成相应的扩散电流。扩散电流是半导体区别于导体的特有电流。1.2 PN 结结在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。PNPN结的产生：结的产生：1.2.1 动态平衡下的动态平衡下的PN结结一、阻挡层的形成一、阻挡层的形成当扩散达到一定程度时，空间电荷区增宽，当其产生的电场增大到一定数值时，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，此时通过空间电荷区和PN结的净电流都为零二、内建电位差二、内建电位差达到动态平衡时，由内建电场E产生的电位差称为内建电位差VB由动态平衡条件，可求得:Na，Nd分别为PN结两边的搀杂浓度ni为本征载流子浓度。VT=kT/q称为热电压，室温时，VT26mV。每升高1C，VB约减小2.5mV。三、阻挡层宽度三、阻挡层宽度动态平衡下阻挡层宽度为：1.2.2 PN结的伏安特性结的伏安特性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。阻挡层向低掺杂一侧扩展：PN 结加上正向电压、正向偏置：P 区加正电压，N 区加负电压。PN 结加上反向电压、反向偏置：P区加负电压，N 区加正电压。一、一、PN 结正向特性结正向特性阻挡层宽度减小，打破动态平衡；多子扩散加强，形成较大的扩散电流PN结加正向偏置结加正向偏置V:内建电场VB减小到VB-V 阻挡层宽度减小 E减小 漂移电流IT减小,则IDIT,形成较大的多子扩散电流电流的连续性电流的连续性:外电场从P区拉出电子,同时向N区补充电子,二者相等,维持电流的连续.二、二、PN 结反向特性结反向特性外加电压使得阻挡层宽度增加，打破动态平衡少子漂移加强，形成一定的漂移电流.少子漂移电流几乎与反偏电压的大小无关,称为反向饱和电流,记为IS.掺杂浓度越大,少子越少,IS越小,温度越高,少子浓度越高,IS越大,同时IS的值与PN结面积成正比.PN结加反向偏置结加反向偏置V:内建电场VB增加到VB+V 阻挡层宽度增加 E变大 漂移电流IT增加,则ITID,形成较大的少子漂移电流电流的连续性电流的连续性:外电场从N区拉出电子,同时向P补充电子,二者相等,维持电流的连续.三、伏安特性三、伏安特性PN结特性的指数表达：当VVT时，当V为负值，且|V|VT时，即为反向饱和电流定义导通电压Von：当V Von时，PN结导通，呈低阻特性；当VCT，外加反向电压时：CD0，四、变容二极管四、变容二极管 PN结外加反向电压时，主要是一个由势垒电容构成的较理想的电容器件；可制成变容二极管。1.2.6 PN结的开关特性结的开关特性一、理想开关特性一、理想开关特性PN结正偏，呈现出低阻特性；PN结反偏，呈现出高阻特性。忽略导通电压Von和反向饱和电流IS的影响，PN结具有理想开关的特性，可以制作成开关二极管使用。二、二、开关特性的非理想性开关特性的非理想性 1由于二极管导通电压VD(on)的存在，只有加在二极管两端的正偏电压大于VD(on)时，才能认为二极管作为开关导通；2由于二极管导通后呈电阻特性，只有在负载电阻R远大于二极管导通电阻时，才能忽略该导通电阻的影响；3二极管反偏时，二极管中的电流并不等于0，约为IS，此时二极管并不能完全切断电路；4由于PN结电容的存在，二极管开关的导通和截止都需要一定的时间。三、三、开关二极管参数开关二极管参数 最大正向电流，最大反向工作电压，反向击穿电压，反向电流，零偏结电容，反向恢复时间 1.3 晶体二极管的分析方法晶体二极管的分析方法1.3.1 晶体二极管模型晶体二极管模型一、晶体二极管的数学模型一、晶体二极管的数学模型或二、伏安特性曲线二、伏安特性曲线三、等效电路模型三、等效电路模型二极管的非线性主要表现在单向导电性上，伏安特性可以用用左图的两段折线近似表示，其中RD称为二极管的导通电阻。在对电路进行直流或者大信号分析时,二极管可以用左下图的大信号电路模型等效。二极管大信号电路模型1.大信号电路模型大信号电路模型理想二极管伏安特性和电路符号2.小信号电路模型小信号电路模型rj：增量结电阻或肖特基电阻或1.3.2 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法一、图解分析法一、图解分析法采用图解法求解时，上述方程组的求解过程就是寻找上述两式所表示曲线的交点。1.直流分析直流分析令VDD=0，相应的V和I都为0，方程组简化为下图中Q点即为方程组的解：通常将管外电路方程所描绘的直线称为晶体二极管的负载线 2.交流分析交流分析在(VDD VDD)的作用下，管外电路方程代表的负载线是一组斜率为1/R、且随VDD变化而平行移动的直线。若设VDD=Vmsint，负载线将随着t的变化而平行移动，这些负载线和二极管伏安特性曲线的交点也呈现正弦变化，而交点对应的电压和电流就是t取不同值时得到的二极管上的响应，即为所求。二、二、等效电路分析法等效电路分析法例：如图所示，两个二极管的VD(on)为0.7V,RD=100,试画出Vo随VI变化的传输特性。VI25V时，D1导通，D2仍然截止时:VO=VDD1时,D2导通,VO=100V,1.直流分析直流分析解：2.交流分析交流分析例：如图所示电路，已知IQ=0.93mA,R=10k,rs=5,VDD=sin2*100t(V),求V。解：将a图用小信号模型表示，如图b所示。1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.4.1 整流与稳压电路整流与稳压电路一、整流电路一、整流电路半波整流电路电源设备组成框图输入、输出波形二、稳压电路二、稳压电路符号 大信号模型 小信号模型基本稳压电路基本稳压电路稳稳 压压 管管 限流电阻R要合理选择，其最小值和最大值分别由下列关系式决定：1.4.2 限幅与钳位电路限幅与钳位电路双向限幅电路双向限幅电路：具有上、下门限的限幅电路单向限幅电路单向限幅电路：仅有一个门限的限幅电路双向限幅电路及其限幅特性：采用稳压管的双向限幅电路：限幅特性双向限幅电路一、限幅电路一、限幅电路二、二、钳位钳位电路电路正峰钳位电路：负峰钳位电路：1.4.3 二极管与门、或门二极管与门、或门 二极管与门电路：二极管或门电路：