2011模電課件 3第三章

3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性3

半導(dǎo)體二極管及基本電路1

半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分,由于其體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用23.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

3.1.1

半導(dǎo)體材料

3.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用

3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體3導(dǎo)體(conductor)：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體(semiconductor)：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體(insulator)：另有一類物質(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?！?.1.1半導(dǎo)體材料4§3.1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：

當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。5§

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)GeSi6§

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型7§

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵(covalentbond)結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4表示除去價(jià)電子后的原子半導(dǎo)體與金屬和許多絕緣體一樣,均具有晶體結(jié)構(gòu),原子有序排列,相鄰原子之間由共價(jià)鍵連接8§

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用1.本征半導(dǎo)體(intrinsicorpureinsulator)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。9§

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用1.本征半導(dǎo)體(intrinsicorpureinsulator)T=0K和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)，共價(jià)鍵內(nèi)的電子被束縛，不能叫做載流子；共價(jià)鍵對(duì)電子的束縛不象絕緣體中束縛的那么緊；10本征激發(fā)11§

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用在室溫（300K）下,被束縛的價(jià)電子獲得足夠能量掙脫共價(jià)鍵,成為自由電子——本征激發(fā)；價(jià)電子走后剩下的空位——空穴載流子此時(shí)外加電壓，本征半導(dǎo)體內(nèi)將有電流流過(guò)，但導(dǎo)電能力遠(yuǎn)不如良好導(dǎo)體；硅材料的原子密度為5×1022/cm3，本征激發(fā)自由電子濃度ni≈1.45×1010/cm3;即室溫下，每3.45×1012個(gè)原子中只有一個(gè)價(jià)電子成為自由電子。2.載流子、自由電子和空穴12空穴的移動(dòng)13§

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用2.載流子、自由電子和空穴電子掙脫共價(jià)鍵束縛成為自由電子，共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位,帶一個(gè)正電,叫做空穴；在外電場(chǎng)的作用下，附近的價(jià)電子被吸引填補(bǔ)空穴，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的空穴；似乎空穴也能”移動(dòng)”,但其移動(dòng)的方向與電子相反;且空穴帶正電；空穴是載流子本征半導(dǎo)體內(nèi),自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的;任何時(shí)候都有ni=pi

空穴14§

3.1.3

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用3.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合共價(jià)鍵獲得熱能以一定速率產(chǎn)生自由電子空穴溫度愈高,產(chǎn)生率愈高自由電子空穴以一定速率相遇結(jié)合成新共價(jià)鍵濃度愈高,載流子數(shù)目愈高,復(fù)合率愈高結(jié)論:一定的溫度下,載流子的復(fù)合率等于產(chǎn)生率,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡濃度越高，導(dǎo)電能力越高；即本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電率隨溫度的增加而增加；15§

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體1.P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。3價(jià)硼原子相鄰共價(jià)鍵上的電子獲得能量，就有可能填補(bǔ)空位,使硼原子成了不能移動(dòng)的負(fù)離子（得到一個(gè)電子）留下了可移動(dòng)的空穴NA（硼原子濃度）+n（少子濃度）=p（多子濃度）硼原子稱為受主原子16§

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體2.N型半導(dǎo)體摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)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）。5價(jià)磷原子獲得能量，易掙脫原子核的束縛成為自由電子ND（磷原子濃度）+p（少子濃度）=n（多子濃度）留下一個(gè)固定的、不能移動(dòng)的正離子磷原子稱為施主原子173.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散

3.2.2

PN結(jié)的形成

3.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)18§

3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散熱能的激發(fā),半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將作隨機(jī)的無(wú)定向運(yùn)動(dòng),載流子在任意方向的平均速度為零若有電場(chǎng)加到半導(dǎo)體上,內(nèi)部載流子將受電場(chǎng)力做定向移動(dòng);空穴的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相同，自由電子的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反由于電場(chǎng)作用導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移漂移19§

3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散基于載流子的濃度差異和隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng),載流子由濃度高區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散,形成電流【擴(kuò)散電流】.擴(kuò)散20§

3.2.2PN結(jié)的形成多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散21§

3.2.2PN結(jié)的形成多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散并復(fù)合掉擴(kuò)散結(jié)果使交界處的電中性遭到破壞,僅剩下不能移動(dòng)帶電雜質(zhì)離子;稱為空間電荷區(qū),又稱耗盡區(qū)或PN結(jié)；空間電荷區(qū)(PN結(jié)/耗盡區(qū))漂移使得PN結(jié)變窄擴(kuò)散使得PN結(jié)變寬內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)互相聯(lián)系又互相對(duì)立,當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)PN結(jié)的寬度確定阻止多子擴(kuò)散使少子漂移22PN結(jié)的形成23§

3.2.2PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)(PN結(jié)/耗盡區(qū))P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)E0勢(shì)壘電位V0電位0x勢(shì)壘區(qū)24內(nèi)電場(chǎng)E0P型N型外電場(chǎng)EF總電場(chǎng)E=E0-EFPN結(jié)平衡狀態(tài)被打破,有利于多子擴(kuò)散多子進(jìn)入PN結(jié),中和了PN結(jié)內(nèi)的帶電離子,PN結(jié)區(qū)空間電荷量減少,PN結(jié)變薄有利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，此時(shí)擴(kuò)散電流大、漂移電流很小而忽略，因此電流由擴(kuò)散電流決定?！?/p>

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)(PNjunction)正向偏置正向電流電流稱為正向電流，PN結(jié)阻值小。稱為PN結(jié)導(dǎo)通。25PN結(jié)加正向偏置26§

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)(PNjunction)反向偏置內(nèi)電場(chǎng)E0P型N型外電場(chǎng)ER總電場(chǎng)E=E0+ERPN結(jié)平衡狀態(tài)被打破,阻礙了多子擴(kuò)散,耗盡區(qū)厚度加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制,擴(kuò)散電流趨近于零。漂移運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng)PN結(jié)表現(xiàn)為阻值極大的電阻,認(rèn)為PN結(jié)截止

反向電流是由少子漂移形成,而少子由本征熱激發(fā)產(chǎn)生,故濃度很低,反向電流很小,μA級(jí)。該電流也稱為反向飽和電流.27PN結(jié)加反向偏置28硅二極管PN結(jié)的V-I特性正向偏置特性反向偏置特性PN結(jié)V-I特性§

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?9溫度的電壓當(dāng)量硅二極管PN結(jié)的V-I特性正向偏置特性反向偏置特性發(fā)射系數(shù),與尺寸/材料及電流有關(guān)PN結(jié)V-I特性PN結(jié)兩端外加電壓玻耳茲曼常數(shù)

(1.38×10-23J/K)熱力學(xué)溫度電子電荷

(1.6×10-19C)常溫下為26mV反向飽和電流§

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?0如果加到PN結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加，稱為PN結(jié)的反向擊穿；PN結(jié)的反向擊穿反向擊穿電壓§

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿31

電擊穿(可逆)

熱擊穿(不可逆)擊穿雪崩擊穿(avalanchebreakdown):

碰撞,載流子倍增效應(yīng)。齊納擊穿(zenerbreakdown):

局部電場(chǎng)增強(qiáng),分離整流二極管（多數(shù)）穩(wěn)壓二極管（多數(shù)）VBR反向擊穿電壓擊穿后的反向電流急劇增大,易使PN結(jié)發(fā)熱,升溫從而燒毀PN結(jié)§

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿32§

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的兩種電容效應(yīng)：擴(kuò)散電容CD和勢(shì)壘電容CBPN結(jié)處于正向偏置時(shí)，多子的擴(kuò)散導(dǎo)致在P區(qū)（N區(qū)）靠近結(jié)的邊緣有高于正常情況的電子（空穴）濃度，這種超量的濃度可視為電荷存儲(chǔ)到PN結(jié)的鄰域PN結(jié)的電容效應(yīng)直接影響半導(dǎo)體器件的高頻和開(kāi)關(guān)性能1.擴(kuò)散電容33§

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略1.擴(kuò)散電容34§

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)反向偏置電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化2.勢(shì)壘電容類似于平板電容器兩極板上電荷的變化35§

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電容效應(yīng)是擴(kuò)散電容和勢(shì)壘電容的綜合反映，在高頻運(yùn)用時(shí)，須考慮PN結(jié)電容的影響PN結(jié)電容的大小與本身的結(jié)構(gòu)和工藝及外加電壓有關(guān)。正偏時(shí)，結(jié)電容較大（主要決定于擴(kuò)散電容）；反偏時(shí)，結(jié)電容較?。ㄖ饕獩Q定于勢(shì)壘電容）363.3二極管

3.3.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2

二極管的伏安特性

3.3.3

二極管的參數(shù)37§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管(diodeinsulator)圖片38§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管(diodeinsulator)圖片39§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管(diodeinsulator)圖片40§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。41§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型42(3)平面型二極管(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)(symbol)anodecathode§

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。43正向壓降變化范圍不大,近似等于常數(shù);Si≈0.7V;Ge≈0.2V少數(shù)載流子的漂移形成反向飽和電流,一般硅管遠(yuǎn)小于鍺管.該電流對(duì)溫度非常敏感.硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性正向電壓不大,電流相對(duì)很大。Vth:門(mén)坎電壓/死區(qū)電壓正向壓降正向壓降反向特性反向擊穿特性Si≈0.5V;Ge≈0.1V§3.3.2二極管的伏安特性44§3.3.3

二極管的參數(shù)1.最大整流電流

IF二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓VBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。3.反向電流

IR指管子未擊穿時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大?5§2.3.3

二極管的參數(shù)4.二極管的極間電容（parasiticcapacitance）二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容(barrier（depletion）capacitance)CB和擴(kuò)散電容(diffusioncapacitance)CD。勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。46§2.3.3

二極管的參數(shù)4.二極管的極間電容擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的電子在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-NCB在高頻和反向偏置時(shí)明顯。CD在正向偏置時(shí)明顯。47§3.3.3

二極管的參數(shù)5.微變電阻rDiDvDIDVDQiDvD

rd是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rd是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。483.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1

簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法49理想二極管V-I特性理想二極管代表符號(hào)正向壓降為0反向電阻為無(wú)窮大正向偏置電路模型反向偏置電路模型應(yīng)用條件:實(shí)際的電路中,當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的管壓降時(shí),可以利用理想模型進(jìn)行近似分析.

§3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.理想模型（idealdiode)50恒壓降模型V-I特性正向壓降為恒定值反向電阻為無(wú)窮大電路模型該模型提供了更合理的近似,應(yīng)用較廣泛.應(yīng)用條件:流過(guò)二極管電流iD近似等于或大于1mA時(shí).Si≈0.7V;Ge≈0.2V2.恒壓降模型（offsetmodel)

§3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法513.折線模型(piecewiselineardiodemodel)正向壓降不是恒定的，而是隨著二極管電流的增加而增加，用一個(gè)電池與一個(gè)電阻的串聯(lián)來(lái)近似。rD近似為200Ω。Vth≈0.5V

§3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法折線模型V-I特性反向電阻為無(wú)窮大電路模型52此時(shí)電路中只有直流量,即電路處于直流工作狀態(tài),也稱靜態(tài),Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn).此時(shí)電路中除了直流量,還有交流量作用的結(jié)果;工作點(diǎn)沿V-I特性曲線,在Q附近小范圍內(nèi)變化,可把二極管V-I特性曲線近似為一條線性直線處理.

§3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法4.小信號(hào)模型(smallsignalmodel)534.小信號(hào)模型(smallsignalmodel)當(dāng)二極管在其伏安特性的某一小范圍內(nèi)工作，可以把伏安特性看出一條直線。小信號(hào)模型的微變等效電阻rd＝26（mv）/ID。vDiDΔvDΔiDΔiDΔvDrd

§3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法54

應(yīng)用舉例1.整流電路二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱悖ê雎远O管正向壓降），反向電阻為無(wú)窮大DRvOvs+-vsvO（P78例題）55

應(yīng)用舉例

2.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時(shí)恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（2）VDD=1V時(shí)（自看）+-iDVDDvDR求ID，VD56

3.限幅電路

應(yīng)用舉例有一限幅電路如圖所示，R=1k，VREF=3V,二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解以下兩問(wèn)：（１）vI=0V、4V、6V時(shí)，求相應(yīng)的輸出電壓vO的值；（２）當(dāng)vI=６sinwt(V)時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓波形．57

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