電子技術(shù)01晶體二極管

1、晶體二極管晶體二極管n結(jié)構(gòu)示意圖n 典型的封裝形式 1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體半導(dǎo)體：有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的特點：半導(dǎo)體的特點：q當受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。q往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。 半導(dǎo)體的電阻率為10-310-9 *cm。1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體對于半導(dǎo)體中常用的硅和鍺，它們原子的最外層電子都是4個，即有4個價電子。一、一、 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體硅或鍺晶體的四個價電子分別與周圍的

2、四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如圖所示 ：它們稱為單晶，是制造半導(dǎo)體的基本材料。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 二、二、 本征激發(fā)和復(fù)合本征激發(fā)和復(fù)合 當導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0 K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞

3、，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。 本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。三、三、 熱平衡載流子濃熱平衡

4、載流子濃度度溫度一定時，半導(dǎo)體中的本征激發(fā)和復(fù)合會在某一平衡載流子濃度值上達到動態(tài)平衡。此時熱平衡載流子濃度為:kTEATn22/3ig0e1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。成為雜質(zhì)半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：摻入五價元素的雜質(zhì)，可使晶體自由電子濃度大大增加，也稱為（電子型半導(dǎo)體）。P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：摻入三價元素的雜質(zhì)，可使晶體空穴濃度大大增加，也稱為（空穴型半導(dǎo)體）。一、一、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰

5、的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。N型半導(dǎo)體中的型半導(dǎo)體中的自由電子濃度大自由電子濃度大大增加，而空穴大增加，而空穴濃度由于和自由濃度由于和自由電子復(fù)合機會變電子復(fù)合機會變大，濃度反而變大，濃度反而變小。小。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。二、二、P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的

6、最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。P型半導(dǎo)體中的空穴濃度大大增加，而自由電子濃度由于和空穴復(fù)合機會變大，濃度反而變小。P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。三、多子和少子熱平衡濃度三、多子和少子熱平衡濃度不論P型或N型半導(dǎo)體，摻雜越多，多子數(shù)目就越多，少子數(shù)目就越少。I. 當溫度一定時，兩種載流子的熱平衡濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值ni的平方II. 半導(dǎo)體同時又處于電中性狀態(tài)。200*inpnddNN p n00n0， p0分別為自由電子和空穴的濃度

7、； Nd為施主雜質(zhì)濃度N型半導(dǎo)體:N型半導(dǎo)體: 與溫度T無關(guān) 與溫度T有關(guān) T升高, ni升高, p0升高, 當p0n0時, 雜質(zhì)半導(dǎo)體變?yōu)轭愃频谋菊靼雽?dǎo)體.P型半導(dǎo)體具有相似的性質(zhì).少子濃度的溫度敏感性是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件溫度特性少子濃度的溫度敏感性是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件溫度特性差的主要原因差的主要原因.diidNnnnpNn202001.1.3 兩種導(dǎo)電機理兩種導(dǎo)電機理漂移和擴散漂移和擴散一、一、 漂移和漂移電流漂移和漂移電流 在外電場作用下，載流子將產(chǎn)生定向運動，其中自由電子逆電場運動，空穴順電場運動。載流子的這種定向運動稱為漂移運動，由它產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。遷移率：單位場強下的平均漂移速度，

8、與溫度、摻雜濃度等有關(guān)。二、擴散和擴散電流二、擴散和擴散電流如圖所示，半導(dǎo)體中任一假想面兩側(cè)存在濃度差，則從濃度大的一面流向濃度小的一面的載流子將多于從濃度小的一面流向濃度大的一面的載流子，從而造成載流子沿x方向的凈流動。這種由濃度差而引起的載流子的運動稱為擴散運動，并形成相應(yīng)的擴散電流。擴散電流是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的特有電流。1.2 PN 結(jié)結(jié)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。PNPN結(jié)的產(chǎn)生：結(jié)的產(chǎn)生：1.2.1 動態(tài)平衡下的動態(tài)平衡下的PN結(jié)結(jié)一、阻擋層的形成一、阻擋層的形成多子擴散和復(fù)合導(dǎo)致緊靠交界面兩側(cè)的區(qū)域內(nèi)留下了雜質(zhì)離子，其中P側(cè)為帶負電荷的

9、受主離子；N側(cè)為帶正電荷的施主離子，而且兩側(cè)的正負離子電荷量相等，形成空間電荷區(qū)，也稱耗盡區(qū)、阻擋層、勢壘區(qū)。當擴散達到一定程度時，空間電荷區(qū)增寬，當其產(chǎn)生的電場增大到一定數(shù)值時，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡。二、內(nèi)建電位差二、內(nèi)建電位差達到動態(tài)平衡時，由內(nèi)建電場E產(chǎn)生的電位差稱為內(nèi)建電位差VB由動態(tài)平衡條件，可求得:)/ln(2idaTBnNNVV Na，Nd分別為PN結(jié)兩邊的攙雜濃度ni為本征載流子濃度。VT=kT/q稱為熱電壓，室溫時，VT26mV。每升高1C，VB約減小2.5mV。三、阻擋層寬度三、阻擋層寬度21dadaBpn0)2(NNNNVqxxl動態(tài)平衡下阻擋層寬度為：1.2.

10、2 PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P 區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。dapnNNxx阻擋層向低摻雜一側(cè)擴展：PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置： P 區(qū)加正電壓，N 區(qū)加負電壓。PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置： P區(qū)加負電壓， N 區(qū)加正電壓。一、一、PN 結(jié)正向特性結(jié)正向特性PN結(jié)加正向偏置結(jié)加正向偏置V:內(nèi)建電場VB減小到VB-V 阻擋層寬度減小 E減小 漂移電流IT減小, 則IDIT, 形成較大的多子擴散電流電流的連續(xù)性電流的連續(xù)性: 外電場從P區(qū)拉出電子, 同時向N區(qū)補充電子,二者相等,維持電流的連續(xù).二、二、PN 結(jié)反

11、向特性結(jié)反向特性外加電壓使得阻擋層寬度增加，打破動態(tài)平衡少子漂移加強，形成一定的漂移電流.少子漂移電流幾乎與反偏電壓的大小無關(guān), 稱為反向飽和電流,記為IS.摻雜濃度越大,少子越少, IS越小,溫度越高,少子濃度越高, IS越大,同時IS的值與PN結(jié)面積成正比.PN結(jié)加反向偏置結(jié)加反向偏置V:內(nèi)建電場VB增加到VB+V 阻擋層寬度增加 E變大 漂移電流IT增加, 則ITID, 形成較大的少子漂移電流電流的連續(xù)性電流的連續(xù)性: 外電場從N區(qū)拉出電子, 同時向P補充電子,二者相等,維持電流的連續(xù).三、伏安特性三、伏安特性PN結(jié)特性的指數(shù)表達：) 1e (TSVVII當VVT時，當V為負值，且|V|

12、VT時，SII即為反向飽和電流則定義導(dǎo)通電壓Von：當V Von時，PN結(jié)導(dǎo)通，呈低阻特性；當VCT，外加反向電壓時： CD0，DjCC TjCC 四、變?nèi)荻O管四、變?nèi)荻O管 PN結(jié)外加反向電壓時，主要是一個由勢壘電容構(gòu)成的較理想的電容器件；可制成變?nèi)荻O管。1.2.6 PN結(jié)的開關(guān)特性結(jié)的開關(guān)特性一、理想開關(guān)特性一、理想開關(guān)特性PN結(jié)正偏，呈現(xiàn)出低阻特性； PN結(jié)反偏，呈現(xiàn)出高阻特性。忽略導(dǎo)通電壓Von和反向飽和電流IS的影響，PN結(jié)具有理想開關(guān)的特性，可以制作成開關(guān)二極管使用。 二、二、開關(guān)特性的非理想性開關(guān)特性的非理想性 1由于二極管導(dǎo)通電壓VD(on)的存在，只有加在二極管兩端的正偏

13、電壓大于VD(on)時，才能認為二極管作為開關(guān)導(dǎo)通； 2由于二極管導(dǎo)通后呈電阻特性，只有在負載電阻R遠大于二極管導(dǎo)通電阻時，才能忽略該導(dǎo)通電阻的影響；3二極管反偏時，二極管中的電流并不等于0，約為IS，此時二極管并不能完全切斷電路；4由于PN結(jié)電容的存在，二極管開關(guān)的導(dǎo)通和截止都需要一定的時間。 三、三、開關(guān)二極管參數(shù)開關(guān)二極管參數(shù) 最大正向電流 ，最大反向工作電壓 ，反向擊穿電壓 ，反向電流 ，零偏結(jié)電容 ，反向恢復(fù)時間 1.3 晶體二極管的分析方法晶體二極管的分析方法1.3.1 晶體二極管模型晶體二極管模型一、晶體二極管的數(shù)學(xué)模型一、晶體二極管的數(shù)學(xué)模型或)1ln(STSIInVIrV二、

14、伏安特性曲線二、伏安特性曲線) 1e (TSSnVIrVII三、等效電路模型三、等效電路模型二極管的非線性主要表現(xiàn)在單向?qū)щ娦陨?，伏安特性可以用用左圖的兩段折線近似表示，其中RD稱為二極管的導(dǎo)通電阻。在對電路進行直流或者大信號分析時,二極管可以用左下圖的大信號電路模型等效。二極管大信號電路模型1. 大信號電路模型大信號電路模型理想二極管伏安特性和電路符號2. 小信號電路模型小信號電路模型rj：增量結(jié)電阻或肖特基電阻QT|)1e (|1SQjVVVVIVVIrQTjIVr TQTSQVIVII或1.3.2 晶體二極管電路分析方法晶體二極管電路分析方法一、圖解分析法一、圖解分析法 )()(DDDD

15、VVfIIRIIVVVV采用圖解法求解時，上述方程組的求解過程就是尋找上述兩式所表示曲線的交點。 1. 直流分析直流分析)( DDVfIIRVV令VDD=0，相應(yīng)的V和I都為0，方程組簡化為下圖中Q點即為方程組的解：通常將管外電路方程所描繪的直線稱為晶體二極管的負載線 2. 交流分析交流分析在(VDD VDD)的作用下，管外電路方程代表的負載線是一組斜率為1/R、且隨VDD變化而平行移動的直線。若設(shè)VDD = Vmsint，負載線將隨著t的變化而平行移動，這些負載線和二極管伏安特性曲線的交點也呈現(xiàn)正弦變化，而交點對應(yīng)的電壓和電流就是t取不同值時得到的二極管上的響應(yīng)，即為所求。二、二、等效電路分

16、析法等效電路分析法例：如圖所示，兩個二極管的VD(on)為0.7V, RD=100,試畫出Vo隨VI變化的傳輸特性。VI25V時，D1導(dǎo)通， D2仍然截止時:3I21DD2I110*300V25VRRVVI32V25I21DD2OVRIVVVO=VDD1時, D2導(dǎo)通, VO=100V,V5 .1372/ )253(OIVV1. 直流分析直流分析解：2. 交流分析交流分析例：如圖所示電路，已知IQ=0.93mA, R=10k, rs=5 , VDD= sin2*100t(V), 求V。解：將a圖用小信號模型表示，如圖b所示。30)93. 0/26(QTjIVr)mA(100*2sin1 . 0/)/(DDjstRVrrRVIDD)mV(100*2sin5 . 3)(jstrrIV1.4 晶體二極管的應(yīng)用晶體二極管的應(yīng)用1.4.1 整流與穩(wěn)壓電路整流與穩(wěn)壓電路一、整流電路一、整流電路半波整流電路電源設(shè)備組成框圖輸入、輸出波形二、穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓電路符號 大信號模型 小信號模型基本穩(wěn)壓電路基本穩(wěn)壓電路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 管管