微電子第二講

晶體二極管1.0概述1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.2

PN結(jié)1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價(jià)電子慣性核硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體二、本征激發(fā)和復(fù)合

當(dāng)T

升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。

共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無外界影響)

時(shí)，共價(jià)鍵中無自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱本征激發(fā)。當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子本征激發(fā)產(chǎn)生的兩種載流子總是成對(duì)出現(xiàn)的空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。復(fù)合在自由電子-空穴對(duì)產(chǎn)生過程中還同時(shí)存在著復(fù)合過程，這就是自由電子在熱騷動(dòng)過程中和空穴相遇而釋放能量，造成自由電子-空穴對(duì)消失的過程。溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡載流子濃度值（即單位體積內(nèi)的載流子數(shù)）上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。三、熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度（電子或空穴）：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)—產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性A是常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，Eg0是T=0K時(shí)的禁帶寬度。一、N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。施主雜質(zhì)，受晶格束縛的正離子二、P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。受主雜質(zhì)，受晶格束縛的正離子三、多子和少子熱平衡濃度N型半導(dǎo)體(熱平衡條件)(電中性方程)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。122.少量摻雜,載流子顯著增加，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。3.多子濃度近似等于摻雜濃度，與溫度無關(guān),

少子濃度隨溫度升高顯著增加。4.當(dāng)溫度升高，雜質(zhì)半導(dǎo)體會(huì)變成本征半導(dǎo)體。5.摻入不同的雜質(zhì)元素，能改變雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，這是制造PN結(jié)的一種主要方法。1.摻雜后:多子>>少子。131.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散一、漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率遷移率：單位場強(qiáng)下的平均漂移速度。截面積S+-V長度l電場EI電子電流Int空穴電流Ipt14

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓：

V=E

l電流：I=SJt截面積S電阻：電導(dǎo)率：+-V長度l電場EI電子電流Int空穴電流Ipt15載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：

二、擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體的特有電流。16小結(jié)

1.半導(dǎo)體依靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體存在本征激發(fā)和復(fù)合，兩種載流子電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，其濃度隨溫度升高迅速增大。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻雜

多子

少子N型半導(dǎo)體：+5價(jià)磷Nd電子空穴施主雜質(zhì)P型半導(dǎo)體：+3價(jià)硼Na空穴電子受主雜質(zhì)3.半導(dǎo)體兩種導(dǎo)電方式：漂移、擴(kuò)散。1.2

PN結(jié)利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。摻雜IDIT擴(kuò)散電流漂移電流P型N型PN結(jié)內(nèi)建電場E空間電荷區(qū)：耗盡區(qū)、阻擋層、勢壘區(qū)1.2.1動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過程19二、內(nèi)建電位差：室溫時(shí)鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V三、阻擋層寬度：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內(nèi)建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。溫度每升高1℃，VB約減小2.5mV。T=300K時(shí)，熱電壓阻擋層任一側(cè)寬度與該側(cè)摻雜濃度成反比：201.2.2

PN結(jié)的伏安特性一、正向特性P+N內(nèi)建電場El0+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I21二、反向特性P+N內(nèi)建電場

El0-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。IR

在某一溫度下，達(dá)到最大值ISIS的大小硅：（10-9--10-16）A鍺：（10-6--10-8）A三、伏安特性22PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：

IS為反向飽和電流,其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：Si:VD(on)=0.7VGe:VD(on)=0.25V導(dǎo)通電壓擊穿電壓反向飽和電流導(dǎo)通電壓23伏安特性曲線VD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時(shí)隨著V

正向R

很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時(shí)IR很小(IR-IS)反向R很大PN結(jié)截止。IDVVD(on)-ISSiGeO24四、溫度特性溫度每升高10℃，IS

約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)

約減小2.5mV。溫度特性正偏時(shí)，正向電流隨溫度升高略有增大。溫度升高到一定值時(shí)，呈現(xiàn)本征半導(dǎo)體特性。最高工作溫度：硅150℃---200℃鍺75℃---100℃251.2.3

PN結(jié)的擊穿特性|V反|

=V(BR)時(shí)，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(l0

較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。形成原因：場致激發(fā)。發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(l0

較窄)外加反向電壓較小(<6V)V(BR)IDVO|V反|，速度，動(dòng)能，碰撞。|V反|，E，場致激發(fā)。26

擊穿電壓的溫度特性

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。

齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。

穩(wěn)壓二極管

利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。

要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO因?yàn)門

載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程來自外電場的能量V(BR)。因?yàn)門

價(jià)電子獲得的能量更易導(dǎo)致場致激發(fā)V(BR)。271.2.4

PN結(jié)的電容特性勢壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

勢壘電容CT

擴(kuò)散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N28PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj

CTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CDPN結(jié)正偏時(shí)，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時(shí)，以CD

為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。

變?nèi)荻O管（反偏）

變?nèi)荻O管實(shí)物圖變?nèi)荻O管的電路符號(hào)1.3晶體二極管電路分析方法29晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：

便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型

適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡化電路模型交流小信號(hào)電路模型

電路分析時(shí)采用的1.3.1晶體二極管的模型30一、數(shù)學(xué)模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時(shí)：n1I過小或過大時(shí)：n

2rS—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：上述模型僅能較好地反映正向特性；考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)及表面漏電流的影響，實(shí)際IS

理想IS。31二、曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)

時(shí)二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)

時(shí)二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)

時(shí)二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測得到。32三、簡化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分?，?shí)際二極管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)

和RD

均可忽略時(shí)，二極管的伏安特性和電路符號(hào)。開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時(shí)的伏安特性。簡化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡化電路模型。abVD(on)D+-33四、小信號(hào)電路模型34四、小信號(hào)電路模型rsrjCjIVQrs：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。rj：為二極管增量結(jié)電阻（肖特基電阻）。注意：高頻電路中，需考慮Cj

影響。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD

和CT兩部分構(gòu)成。35前三種電路模型用來計(jì)算二極管上加特定范圍內(nèi)電壓或電流值時(shí)的響應(yīng)。小信號(hào)模型限于計(jì)算疊加在Q點(diǎn)上微小電壓或電流的響應(yīng)。36一、圖解分析法分析二極管電路主要采用：圖解分析法、簡化分析法、小信號(hào)等效電路法。(重點(diǎn)掌握簡化分析法)

寫出管外電路直流負(fù)載線方程。1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：

作直流負(fù)載線。

分析直流工作點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。既可分析直流，也可分析交流。37例1已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。+-RVDDDI+-V

由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V=VDD

-

IR

在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：

連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。IVQVDDVDD/RVQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交點(diǎn)(VQ,IQ)，即為Q

點(diǎn)。38例2已試求圖(a)所示電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。DR1R2+

—VDD(a)+-RTVTDI+-V(b)IVQVTVT/RTVQIQ(c)

用戴維南定理將圖(a)中的關(guān)外電路簡化成圖(b)所示電路，其中VT

=VDD

R2/(R1+R2)，RT=R1//R2?？蓪懗鲋绷髫?fù)載線方程：V=VT

-

IRT解：39二、簡化分析法即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進(jìn)行分析、求解。

將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VA(a)R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI(b)如圖(a)所示電路中，D1，D2的VD(on)=0.7V，RD=100，試畫出VO

隨VI變化的傳輸特性。將D1、D2

看為理想二極管41R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI1VI/VVO/V0137.51002525當(dāng)VI<25V時(shí)，D1和D2

都截止，得VO=VDD2=25V。當(dāng)VI>25V時(shí)，D1導(dǎo)通和D2

仍截止，得通過D1的電流I1

：此時(shí)VO

：當(dāng)VO=VA=100V時(shí)：42四、小信號(hào)分析法即將電路中的二極管用小信號(hào)電路模型代替，利用得到的小信號(hào)等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步驟：

將直流電源短路，畫交流通路。

用小信號(hào)電路模型代替二極管，得小信號(hào)等效電路。

利用小信號(hào)等效電路分析電壓與電流的變化量。43第1章晶體二極管例6如圖(a)所示電路中，IQ=0.93mA，R=10k，△VDD=sin2π×100t(V),試求△V。R10kD+_+_VDD△VDD(a)R+_△VDD△V+_(b)rsrj△I解