半導體材料及二極管 (2)課件

第1章半導體材料及二極管教學內(nèi)容和要求了解半導體基本特性；了解PN結(jié)導電特性；掌握二極管的特性及模型；掌握二極管的應用；了解PN結(jié)的電容效應及應用。1、本征半導體半導體材料——硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）…純凈（＞7N）且具有完整晶格結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。一、半導體基本特性硅、鍺的面心立方體套和晶格結(jié)構(gòu)——按立方體組成晶體點陣，任何一個原子都處在一個立方體的中心，相鄰的四個原子則位于立方體的四個頂點。在一定的溫度下，本征半導體內(nèi)最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)。+4+4+4+4+4空穴自由電子本征激發(fā)產(chǎn)生兩種載流子（能夠?qū)щ姷碾姾桑杂呻娮印⒖昭?；兩種載流子導電的差異——在外電場作用下，自由電子能在晶格中自由運動，是真正的載流子；而空穴導電的本質(zhì)是價電子依次填補晶格中的空位，價電子只在共價鍵間運動，宏觀上我們將其看成空位的定向運動，空穴是一種等效載流子。+4+4+4+4+4空穴的定向運動自由電子的定向運動2、雜質(zhì)半導體在本征半導體中滲入微量5價元素（如磷）后形成N型雜質(zhì)半導體，簡稱N型半導體。施主電離——在很低溫度下，5價元素就會有一個不受共價鍵束縛的價電子成為自由電子。價電子、束縛電子+5+4+4+4+4自由電子缺少一個價電子成為不能移動的帶+q的正離子雖然由施主“提供”了自由電子，但N型半導體仍呈電中性。N型半導體在一定溫度下既有施主電離產(chǎn)生的自由電子，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。施主電離產(chǎn)生自由電子和正粒子，不會產(chǎn)生空穴；+3+4+4+4+4增加一個價電子成為不能移動的帶-q的負離子價電子、束縛電子空穴雖然由受主“接受”價電子形成了空穴，但P型半導體仍呈電中性。受主電離產(chǎn)生空穴和負粒子，不會產(chǎn)生自由電子。P型半導體在一定溫度下既有受主電離產(chǎn)生的空穴，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。平衡狀態(tài)下多子濃度與少子濃度的乘積等于同一溫度時本征濃度的平方（n0p0=ni2）。它說明：摻雜使多子濃度提高的同時使少子濃度降低；因此，N型半導體的多子濃度n0>本征濃度ni>少子濃度p0；P型半導體的多子濃度p0

>本征濃度ni>少子濃度n0

。3、半導體中的漂移電流與擴散電流漂移電流——在外電場作用下，載流子作宏觀定向運動所形成的電流?？昭ㄑ仉妶隽Ψ较蚱疲杂呻娮幽骐妶隽Ψ较蚱?，雖然兩者漂移方向相反，但形成的漂移電流方向卻相同，總的漂移電流為兩者之和；漂移電流與電場強度和載流子濃度成正比；雜質(zhì)半導體的多子濃度遠大于少子濃度，因而多子漂移電流也遠大于少子漂移電流。擴散電流——載流子因濃度差作宏觀定向運動所形成的電流。兩種載流子均沿濃度梯度方向擴散，雖然兩者擴散方向相同，但形成的擴散電流方向卻相反，總的擴散電流為兩者之差；擴散電流與載流子的濃度梯度成正比。1、PN結(jié)的形成及特點用某種工藝將本征半導體摻雜為兩個區(qū)：一個區(qū)為P型半導體，另一個區(qū)為N型半導體。二、PN結(jié)導電特性在兩者的界面附近會形成一個特殊的薄層——PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－從而在P區(qū)一側(cè)留下受主負離子、在N區(qū)一側(cè)留下施主正離子，形成一個電偶層即由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場→進一步擴散進入內(nèi)建電場的多子被漂移回來，最終達到擴散與漂移的動態(tài)平衡。內(nèi)建電場PN結(jié)P型半導體N型半導體PN結(jié)的特點：空間電荷區(qū)——結(jié)內(nèi)形成內(nèi)建電場（非電中性），內(nèi)建電壓的典型值為0.7V（Si）或0.35V（Ge）；耗盡層—結(jié)內(nèi)的載流子在PN結(jié)形成過程中已經(jīng)耗盡；阻擋層（勢壘區(qū)）—阻止兩側(cè)多子越結(jié)擴散。若摻雜密度不同，則形成不對稱PN結(jié)，空間電荷區(qū)向低摻雜區(qū)延伸。2、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦云谩诎雽w器件上所加的直流電壓（偏壓）和電流（偏流）。由于PN結(jié)是耗盡層，相對于結(jié)外的P區(qū)和N區(qū)而言是高阻區(qū)，偏壓幾乎完全作用在結(jié)層上。正向偏壓的PN結(jié)：－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－外電場正向偏壓結(jié)電場被削弱內(nèi)建電場PN結(jié)變薄反向偏壓的PN結(jié)——反偏電壓增強結(jié)電場，PN結(jié)變寬，多子擴散受到更強的阻擋，對外電路而言，相當于PN結(jié)截止。顯然，正偏電壓越大，PN結(jié)越薄，越有利于擴散，相應外電路的正向電流也越大。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－外電場反向偏壓內(nèi)建電場結(jié)電場被增強PN結(jié)變寬PN結(jié)的伏安特性——由理論分析得到式中：IS為PN結(jié)的反向飽和電流，該值很小，一般硅PN結(jié)IS的值僅pA級；VT為熱電壓，常溫（T=300K）下一般取VT≈26mV?？梢则炞C，只有當vD的值取到0.52V以上時，硅PN結(jié)的iD值才能達到mA級；因此，即使正向偏壓的PN結(jié)也存在一個導通電壓VON，只有當vD大于VON時，PN結(jié)才有明顯的正向電流iD

。vD(V)iD(mA)VONPN結(jié)的伏安特性曲線：二極管的特性與PN結(jié)的特性基本相同。1、二極管的伏安特性形式上，二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性相同：二極管的核心是PN結(jié)。三、二極管的特性及模型式中：IS為二極管的反向飽和電流，比PN結(jié)的略大一點。①二極管的單向?qū)щ娞匦远O管正偏時，其伏安特性可近似為：二極管反偏時，其伏安特性可近似為：正偏二極管存在一個導通電壓VON，小功率硅二極管導通電壓的典型值VON=0.7V，小功率鍺二極管導通電壓的典型值VON=0.3V。二極管反偏時，鍺管的反向飽和電流至少比硅管大三個數(shù)量級以上。溫度增加時，二極管的反向飽和電流明顯增大。②二極管的反向擊穿導電特性反向擊穿現(xiàn)象——PN結(jié)的反偏電壓大到一定值時，反向電流會急劇增大。反向擊穿原因：雪崩擊穿——價電子被碰撞電離，發(fā)生于低摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以上；齊納擊穿——價電子被場致激發(fā)，發(fā)生于高摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以下。只要保證擊穿時平均管耗不超過允許值，二極管的反向擊穿是一種可逆的電擊穿。二極管的反向擊穿特性曲線：vDiD穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）是一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管。2、二極管的直流電阻和交流電阻二極管的伏安特性表明其為非線性電阻。二極管的直流電阻——一般將二極管的直流電壓VD和直流電流ID稱為二極管的工作點Q，將該工作點Q處直流電壓直流與電流的比值定義為直流電阻RD，即：二極管的交流電阻——將二極管工作點Q處微變電壓增量與微變電流增量的比值定義為交流電阻rd，即：3、二極管模型分析含二極管的電路時，由于涉及二極管伏安特性（也稱為二極管方程）這樣的非線性方程，工程上一般不采取直接計算的方法。工程上常用的一種方法是圖解法，又稱負載線法；vDiDiDvD+-300Ω3V例1：用圖解法求圖示電路的vD和iD。0.727.6工程上常用的另一種方法是模型法——用理想元件構(gòu)成的等效電路來近似非線性器件。①二極管的大信號模型理想開關模型：恒壓源模型：vDiDvDiD折線近似模型vDiD例1.1(p18)：用模型法求圖示電路的vD和iD。iDvD+-300Ω3V二極管用恒壓源模型vD=0.7V,iD>0iDvD=0.7V+-300Ω3V②二極管的小信號模型一般情況下iD=ID+id、vD=VD+vd，若id、vd足夠小，在工作點Q（ID、VD）附近二極管可以線性化，根據(jù)疊加原理，可以分別進行ID、VD及id、vd分析。計算ID、VD稱為求工作點Q，需畫出只反映ID、VD的電路——直流通路；計算id

、vd稱為交流小信號分析，需畫出只反映id、vd的電路——交流通路，相應需要二極管的小信號模型。二極管的小信號模型就是二極管在工作點Q處的交流電阻rd

。例2：圖示電路中v=2sin(2π×104t)mV，C=200mF，求id

。iDvD+_300Ω3V+_vC解：畫出直流通路VDID+_300Ω3V二極管用恒壓源模型求出工作點Q的交流電阻IDVD=0.7V300Ω3V畫出交流通路+_vidrd300Ω+_vidvd300Ω+_二極管用小信號模型作業(yè)(p38-39)：1.4、1.6、1.7①半波整流電路1、整流電路當vi(t)>0時，D導通；當vi(t)<0時，D截止；分析整流電路時二極管一般用理想開關模型。+_vo(t)+_vs(t)..D+_vi(t)四、二極管的應用②全波整流電路當vi(t)>0時，D1導通、D2截止；當vi(t)<0時，D1截止、D2導通。+_vo(t)+_vs(t)D1D2..vi(t)+_③橋式整流電路當vi(t)>0時，D1D3導通、D2D4截止；當vi(t)<0時，D1D3截止、D2D4導通。+_vo(t)+_vs(t)D1D2..D4D3vi(t)+_實用的整流電路一般需配套濾波電路。加入濾波電路后，D的導通時間遠小于半同期。+_vo(t)+_vs(t)..Dvc(t)+_+_vi(t)2、限幅電路①并聯(lián)型雙向限幅電路+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2分析限幅電路時二極管可以用理想開關模型，也可以用恒壓源模型。當vi(t)>V1時，D1導通、D2截止；vi(t)<-V2時，D1截止、D2導通；而當V1>vi(t)>-V2時，D1、D2均截止。+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2vi(t)tV1-V2vo(t)vi(t)vo(t)-V2V1V1-V2其傳輸特性曲線：②串聯(lián)型雙向限幅電路+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1假定狀態(tài)分析法：a假定狀態(tài)1——D1、D2均截止：此時vo(t)=V2，va(t)=V1；由于vo(t)>va(t)，D2導通，與假定狀態(tài)矛盾，故狀態(tài)1不成立；+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1假定狀態(tài)2——D1導通、D2截止：此時vo(t)=V2，va(t)=vi(t)

；只有當vi(t)>V2(>V1)時，狀態(tài)2成立；a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1假定狀態(tài)3——D1截止、D2導通：此時vo(t)=va(t)=；只有當vi(t)<時，狀態(tài)3成立；a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1假定狀態(tài)4——D1、D2均導通：此時vo(t)=vi(t)；只有當<vi(t)<V2時，狀態(tài)4成立。a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1vi(t)tV1V2vo(t)其傳輸特性曲線：vi(t)vo(t)V2V23、鉗位電路+_vo(t)+_vi(t)DCvc(t)+_分析鉗位電路時二極管可以用理想開關模型，也可以用恒壓源模型。vi(t)t-VVvc(t)vo(t)+_vo(t)+_vi(t)DCvc(t)+_4、邏輯電路分析邏輯電路時二極管一般用恒壓源模型。VD1V1V2RVoD2假定狀態(tài)分析法：假定狀態(tài)1——D1、D2均截止：此時Vo=V；只有當V1、V2<V時，狀態(tài)1成立；VD1V1V2RVoD2VD1V1V2RVoD2假定狀態(tài)3——D1截止、D2導通：此時Vo=V2-0.7；當V2

>V而V1<V時，狀態(tài)3成立；假定狀態(tài)2——D1導通、D2截止：此時Vo=V1-0.7；當V1>V而V2<V時，狀態(tài)2成立；假定狀態(tài)4——D1、D2均導通：此時同時有Vo=V1-0.7及Vo=V2-0.7；當V1=V2>V時，狀態(tài)4成立；雖然V1、V2>V但V1≠V2時，狀態(tài)4不成立。VD1V1V2RVoD2如果V1、V2只取>V或<V的兩種數(shù)值，且所取的數(shù)值相等，將<V的數(shù)值記為邏輯0，>V的數(shù)值記為邏輯1，則該電路為有1為1的“或”邏輯電路。5、穩(wěn)壓電路限流電阻R——保證穩(wěn)壓管正常工作(電擊穿而不是熱擊穿)的必備措施。穩(wěn)壓管主要參數(shù)：VZ、rZ、IZMAX、IZMIN；+_+_VIDZΔVIRRLΔRLVO+ΔVO限流電阻R的選?。悍€(wěn)壓管的恒壓源模型穩(wěn)壓管的折線近似模型VZDZDZrZVZ例