秋低频电子线路常用半导体器原理PPT课件.ppt

低频电子线路 3 山东大学信息科学与工程学院刘志军 1 可编辑 2 回顾上节课 第四章常用半导体器件原理4 1半导体物理基础物质按导电性能分类半导体三大特性本征半导体共价键结构两种载流子的概念载流子的产生杂质半导体半导体中的电流 可编辑 3 本节课内容 4 2PN结PN结的形成PN结的单向导电性PN结的击穿特性PN结的电容特性PN结的电阻特性PN结的温度特性 可编辑 4 4 2PN结 PN结是通过采用半导体工艺制作 使N型和P型半导体在其结合处 界面 所形成的一种特殊结构 薄层 它具有特殊的物理性质 PN结是构成半导体器件的核心结构 PN结是半导体器件的心脏 可编辑 5 PN结形成 图示 可编辑 6 4 2 1PN结的形成 PN结形成的 三步曲 1 多数载流子的扩散运动 2 空间电荷区和少数载流子的漂移运动 3 扩散运动与漂移运动的动态平衡 精品课网站有动态演示 可编辑 7 势垒区的形成 图示 可编辑 8 空间电荷区 耗尽层 PN结建立在在N型和P型半导体的结合处 由于扩散运动 失空穴和电子后形成不能移动的负离子和正离子状态 这个区域称为空间电荷区 耗尽层 PN结的其它名称自建电场势垒区阻挡层PN结很窄 几个到几十个 m 可编辑 9 耗尽层的特点 耗尽层的区域范围大小与掺杂浓度有关对称结 PN 非对称结 PN 或P N 可编辑 10 非对称PN结 可编辑 11 势垒区的作用 势垒区使自由电子和空穴的扩散运动受阻 要爬一个高坡 可编辑 12 自建电场 其中UT KT q 热当量电压当T 300K时 UT 26mV 可编辑 13 4 2 2PN结的单向导电特性 当外加电压时 PN结的结构将发生一些变化 空间电荷区的宽窄变化 外加电压施加于PN结的不同方向 其效果是根本不同的 可编辑 14 1 PN结外加正向电压 正向偏置 PositiveBiasing 正确接法 P接电源正 N接电源负产生效果 外电场与内电场方向相反 削弱内电场 使PN结变窄 扩散运动 漂移运动称为 正向导通 可编辑 15 PN结外加正向电压 图 可编辑 16 2 PN结外加反向电压 反向偏置 NegativeBiasing 正确接法 P接电源负 N接电源正产生效果 外电场与内电场方向相同 增强内电场 使PN结变宽 扩散运动 漂移运动称为 反向截止 可编辑 17 PN结外加反向电压 图 可编辑 18 3 PN结电流方程 流过PN结的电流i与外加电压u之间关系为i IS equ KT 1 IS eu UT 1 其中UT kT qIS 反向饱和电流 可编辑 19 PN结伏安特性 VoltampereCharacteristic 由上式i IS eu UT 1 当u为正时i IS e u UT PN结外加正电压时 流过电流为正电压的e指数关系 当u为负时i IS e u UT 1 ISPN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流 可编辑 20 PN结伏安特性 单向导电性 UnidirectionalConductibility 正向导通 PositiveConduction 反向截止 NegativeCut off 可编辑 21 PN结伏安特性 图示 可编辑 22 4 2 3PN结电阻特性和电容特性 PN结还存在两种特性 电阻特性 ResistanceCharacteristic 电容特性 CapacitanceCharacteristic 可编辑 23 1 PN结电阻特性 两种电阻静态电阻 直流电阻DCResistance R UD ID动态电阻 交流电阻ACResistance r u i 可编辑 24 PN结电阻特性 图 2020 1 27 25 可编辑 26 PN结电阻特性 可以看出静态电阻和动态电阻均与静态工作点 Q点 有关 静态电阻 直流电阻 是工作点斜率的割线 直线斜率的倒数 动态电阻 交流电阻 是工作点斜率的切线 切线斜率的倒数 可编辑 27 2 PN结电容特性 PN结还可呈现电容效应有两种电容效应势垒电容 BarrierCapacitance 扩散电容 DiffusionCapacitance 可编辑 28 势垒电容CT 是PN结外加反向偏置时 引起空间电荷区体积的变化 相当电容的极板间距变化和电荷量的变化 引起的电容效应 CT dQ du CTO 1 u UB n S d其中 CTO为外加电压u 0时的CT n为变容系数 决定于材料的杂质分布 一般取1 2 1 3 UB为PN结内建电压 为介电常数 S为PN结面积 d为耗尽层宽度 可编辑 29 势垒电容CT原理 图 可编辑 30 扩散电容CD 是PN结外加正向偏置时 引起扩散浓度梯度变化出现的电容 电荷 效应 可编辑 31 扩散电容CD 图 可编辑 32 扩散电容CD CD Q u Qn u Qp u Qn u 对PN 结 ni uT 其中 n为P区非平衡载流子平均寿命 i为PN结电流 可编辑 33 结电容的量级 CT和CD均在PF量级 CT一般在几 几十PF 在反偏时考虑 CD一般在几十 几百PF 在正偏时考虑 利用结电容可制成变容二极管 可编辑 34 PN结电容和结电阻综合考虑 PN结电容和结电阻是并联关系 正向时 电阻小 电容效应不明显 反向时 电阻大 电容效应明显 故电容效应主要在反偏时才真正予以考虑 可编辑 35 PN结电容和结电阻综合考虑 图 r cj 可编辑 36 4 2 4PN结击穿特性 当对PN结外加反向电压超过一定的限度 PN结会从反向截止发展到反向击穿 反向击穿破坏了PN结的单向导电特性 利用此原理可以制成稳压管 可编辑 37 PN结击穿特性 图 可编辑 38 PN结击穿 PN结击穿有两种类型热击穿电击穿 可编辑 39 1 电击穿 电击穿是可逆的 可以恢复 应有限流电阻 电击穿有两种机理可以描述 雪崩击穿齐纳击穿 可编辑 40 雪崩击穿 特点如下 低掺杂 PN结宽 正温系数 常发生于大于7伏电压的击穿时 雪崩效应 可编辑 41 齐纳击穿 特点如下 高掺杂 PN结窄 负温系数 常发生于小于5伏电压的击穿时 隧道效应 可编辑 42 特殊情况 在 5 7 V击穿发生时 两种击穿机理都有 温度系数可达到最小 可编辑 43 2 热击穿 电击穿后如无限流措施 将会发生热击穿现象 热击穿会破坏PN结结构 烧坏 热击穿是不可逆的 可编辑 44 3 二次击穿 除以上击穿现象外 还有一种特殊的击穿现象 即二次击穿 二次击穿的特点是管子不发热 二次击穿是不可逆的 可编辑 45 二次击穿曲线 图 i v 0 可编辑 46 4 2 5PN结的温度特性 PN结特性对温度十分敏感 热敏特性 反映到伏安特性曲线上 是随温度升高 正向特性左移 温度升高1度 结电压约减少 2 2 5 mV 反向特性下移 温度升高10度 IS增大一倍 u T 2 2 5 mV 0CIS2 IS12 T2 T1 10温度升高到一定度数 PN结将不复存在 材料温度极限条件 Ge材料 75 100 0CSi材料 150 200 0C 可编辑 47 思考题和练习题 简要说明PN结的形成过程 解释PN结伏安特性曲线和单向导电性 PN结电阻有哪些类型 各是如何定义的 和直流偏置有什么关系 PN结电容有哪些类型