半导体基础知识及二极管电路.ppt

第一章半导体基础知识及二极管电路 内容提要 半导体材料的基本物理特性及PN结原理 半导体二极管的结构及工作特性 几种特殊二极管 二极管基本应用电路及其分析方法 正确理解以下基本概念半导体导电载流子 PN结及二极管的单向导电性 基本要求 2 熟练掌握二极管的外特性 数学描述 V A特性曲线及方程 二极管的电路模型 3 熟悉二极管的主要参数 物质的分类 导体 电阻率小于 绝缘体 电阻率大于 半导体 电阻率介于两者之间 典型的半导体 如硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 按照导电能力的差别 可以将物质分为 半导体的独特性质 电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化 掺杂特性 热敏特性 光敏特性 注意 决定物质导电性能的因素 第一节半导体的基本特性 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 简化模型 第一节半导体的基本特性 1 1 1本征半导体 一 结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 硅晶体的空间排列 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 在硅和锗晶体中 每个原子附近有四个邻近原子 彼此之间由价电子联系起来 形成共价键 共用一对价电子 1 1 1本征半导体 一 结构特点 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 1 1 1本征半导体 一 结构特点 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 特点 1 1 1本征半导体 一 结构特点 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 1 1本征半导体 二 导电机理 自由电子 空穴 束缚电子 1 1 1本征半导体 二 导电机理 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 1 1 1本征半导体 二 导电机理 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴 价电子 移动产生的电流 本征半导体有两种载流子 自由电子和空穴 导电能力取决于载流子的浓度 1 1 1本征半导体 二 导电机理 本征半导体中载流子的浓度 1 1 1本征半导体 二 导电机理 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 掺入微量的 5价元素 磷P 的半导体 第一节半导体的基本特性 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体 增加载流子的数量 提高导电率 注意 掺杂时保证不破坏原有的晶格结构 施主原子 N型半导体结构示意图 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体 不能导电 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体 掺入微量的 3价元素 硼B 的半导体 P型半导体结构示意图 受主原子 1 1 2杂质半导体 二 P型半导体 不能导电 可以认为空穴带一个单位的正电荷 并且可以移动 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 1 2杂质半导体 二 P型半导体 小结 1 1 2杂质半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 可近似认为多子与杂质浓度相等 1 1 2杂质半导体 三 杂质半导体的性质 在杂质半导体中 多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度 少子的浓度主要取决于温度 存在着自由电子 空穴和杂质离子三种带电粒子 1 1 2杂质半导体 三 杂质半导体的性质 N型半导体的简化表示法 P型半导体的简化表示法 掺杂半导体处于平衡状态时 其载流子浓度满足如下关系 p0 平衡空穴浓度 n0 平衡电子浓度 ni 本征电子浓度 1 1 2杂质半导体 半导体杂质的补偿原理 1 电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图 A 所示 A 电场作用下的漂移运动 1 1 2杂质半导体 四 载流子的漂移和扩散运动 当无外加电场作用时 半导体中的载流子做不规则热运动 对外不呈现电特性 2 载流子由浓度高流向浓度低的运动称为扩散 如图 B 所示 B 扩散示意图 1 1 2杂质半导体 四 载流子的漂移和扩散运动 在同一块本征半导体基片上 两侧分别掺入施主杂质和受主杂质制成N型半导体和P型半导体 则在两半导体的结合面上形成如下物理过程 第二节半导体二极管的工作原理及特性 1 2 1PN结及其单向导电性 一 PN结的形成 一 PN结的形成 1 2 1PN结及其单向导电性 阻挡层 势垒层 阻挡多子的扩散运动 但引起少子的漂移运动 一 PN结的形成 1 2 1PN结及其单向导电性 一 PN结的形成 1 2 1PN结及其单向导电性 多子的扩散运动形成扩散电流 并增加空间电荷区的宽度 少子的漂移运动形成漂移电流 并减小空间电荷区的宽度 当两种运动到达平衡时 空间电荷区的宽度也达到稳定 一 PN结的形成 1 2 1PN结及其单向导电性 动态平衡时交界面两侧的空间电荷量 空间电荷区宽度 内建电场等参量均为常数 且与半导体材料 掺杂浓度 温度有关 耗尽层为高阻区 空间电荷区以外的区域为低阻区 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 1 2 1PN结及其单向导电性 PN结形成过程的总结 接触电位差 阻挡多子的扩散运动 又称为 电位势垒 或 势垒 势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低的一侧 1 2 1PN结及其单向导电性 接触电位差与势垒宽度 势垒区的电位差减小 阻挡层内的合成电场减小 空间电荷总量减小 空间电荷区变窄 1 2 1PN结及其单向导电性 二 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 P区加正 N区加负电压 1 2 1PN结及其单向导电性 二 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 正向电流If 加正向电压时 导通 扩散电流加大 漂移电流基本不变 正向电流的方向为由P区至N区 且随外加正向电压增加而增加 P N 势垒区的电位差增加 阻挡层内的合成电场增加 空间电荷总量增加 空间电荷区变厚 1 2 1PN结及其单向导电性 二 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压 反向偏置 P区加负 N区加正电压 P N 1 2 1PN结及其单向导电性 二 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压 反向偏置 加反向电压时 截止 内电场加强 使扩散停止 有少量飘移 反向电流很小 在一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 故少子形成的漂移电流是恒定的 基本上与所加反向电压的大小无关 这个电流也称为反向饱和电流 对温度变化非常敏感 1 2 1PN结及其单向导电性 二 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压 反向偏置 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 且正向电流随正向电压的大小急剧改变 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 且反向电流基本不随反向电压的大小变化 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 二 PN结的单向导电性 1 2 1PN结及其单向导电性 电路符号 第二节半导体二极管的工作原理及特性 1 2 2二极管的结构与类型 结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 一 点接触型二极管 1 2 2二极管的结构与类型 b 面接触型 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 二 面接触型二极管 1 2 2二极管的结构与类型 c 平面型 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 三 平面型二极管 1 2 2二极管的结构与类型 温度电压当量 当在室温条件下T 300K时 约为26mV 外接电压 反向饱和电流 1 2 3二极管的伏安特性 第二节半导体二极管的工作原理及特性 一 二极管电流方程 温度电压当量 当在室温条件下T 300K时 约为26mV 外接电压 反向饱和电流 若为正偏且 则有 若为反偏且 则有 1 2 3二极管的伏安特性 第二节半导体二极管的工作原理及特性 一 二极管电流方程 应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别 1 2 3二极管的伏安特性 第二节半导体二极管的工作原理及特性 一 二极管电流方程 正向工作区 阈值电压的含义 反向工作区 反向击穿区 反向击穿电压 二 二极管的伏安特性 1 2 3二极管的伏安特性 V BR 二 二极管的伏安特性 1 2 3二极管的伏安特性 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 第二节半导体二极管的工作原理及特性 V BR 击穿 电击穿 热击穿 电击穿 齐纳击穿 雪崩击穿 可逆 热击穿 反向高压 反向大电流 结温升高 载流子增多 反向电流增大 功耗增大 不可逆 一 二极管的反向击穿特性 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 齐纳击穿 高掺杂 耗尽层宽度小 不太大的电压就在耗尽层形成强电场 直接破坏共价键 使电流急剧上升 雪崩击穿 反向电压为较大值时 耗尽层的电场使少子漂移速度加快 与价电子相碰撞 产生电子空穴对 新的电子空穴被加速后又撞其它价电子 载流子雪崩式增加 使电流急剧上升 一 二极管的反向击穿特性 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 温度升高时 反向电流增大 工程上可近似认为温度每增加10摄氏度 约增大一倍 温度升高时 正向伏安特性左移 工程上可近似认为电流保持不变时 温度每增加1摄氏度 二极管压降约减小 二 二极管的温度特性 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 势垒电容描述的是势垒区内的空间电荷随PN结外加电压变化而产生的电容效应 用表示 三 二极管的电容效应 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 PN结两端电压发生变化时 空间电荷区内的电荷量将随之变化 势垒电容 CT 势垒电容示意图 反偏时空荷区扩大 等效平板电容的距离增加 正偏时空荷区变小 等效平板电容的距离减小 三 二极管的电容效应 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 势垒电容是非线性电容 将随着外加电压的变化而改变 三 二极管的电容效应 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 可以据此制成专用的变容二极管 变容二极管皆应用在反向偏置状态 三 二极管的电容效应 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 2 扩散电容 CD 平衡少子 PN结处于平衡状态时的少子 npo 非平衡少子 PN结处于正向偏置时 从P区扩散到N区的空穴或从N区扩散到P区的电子 扩散电容 非平衡少子随外加电压变化的效应 CD 扩散电容也是非线性电容 将随着外加电压的变化而改变 结电容总结 1 2 4反向击穿特性 温度特性和电容效应 势垒电容与扩散电容为并联 PN结总电容为两者之和 正向偏置时PN结电容以扩散电容为主 反向偏置时以势垒电容为主 PN结的电容效应将影响晶体管的响应速度和高频特性 1 最大整流电流IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压VR 二极管工作时允许外加的最高反向电压 手册上给出的最高反向工作电压VR一般是击穿电压VBR的一半 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 1 2 5二极管的主要参数 第二节半导体二极管的工作原理及特性 3 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 以上均是二极管的直流参数 二极管的应用主要是利用它的单向导电性 主要应用于整流 限幅 保护等等 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 1 2 5二极管的主要参数 第二节半导体二极管的工作原理及特性 4 微变电阻rd rd是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rd是Q附近的微小变化区域内的电阻 1 2 5二极管的主要参数 第二节半导体二极管的工作原理及特性 5 最高工作频率fM 指二极管工作的上限频率 因结电容的作用 将不能很好地体现单向导电性 1 2 5二极管的主要参数 第二节半导体二极管的工作原理及特性 部分国产半导体高频二极管参数表 部分国产半导体整流二极管参数表 正常情况下 工作于反向击穿区 反向电流在很大范围内变化时 端电压变化很小 从而具有稳压作用 反向击穿电压 最小允许电流 最大允许电流 1 2 6特殊二极管 第二节半导体二极管的工作原理及特性 一 稳压二极管 反向击穿电压 最小允许电流 最大允许电流 动态电阻 一 稳压二极管 1 2 6特殊二极管 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 rz越小 稳压性能越好 反向击穿电压 最小允许电流 最大允许电流 一 稳压二极管 1 2 6特殊二极管 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 稳压管在使用时应串接限流电阻以保证反向电流值在合适范围内 二 变容二极管 1 2 6特殊二极管 特点 1 内部为金属半导体结 也具有单向导电性2 电子 多子 导电没有少子存储现象工作速度快 3 势垒区薄正向导通电压和反向击穿电压都低 1 2 6特殊二极管 三 肖特基二极管 N型硅中的自由电子比金属中的自由电子更容易克服原子的束缚而逸出 材料和结构 发光二极管由砷化镓 磷化镓等半导体材料组成 由于电子空穴的复合产生发光能量 是一种电变成光的能量转换器件 电路中常用做指示或显示及光信息传送 1 发光二极管 1 2 6特殊二极管 四 光电子器件 单个发光二极管 七段显示发光二极管 发光二极管的主要特性 半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下 很容易脱离共价键而成为自由电子 因此可以用PN结构成光敏二极管 光敏二极管的反向电流与光照度成正比 用感光灵敏度来衡量 典型值为 0 1 A Lx 2 光电二极管 1 2 6特殊二极管 四 光电子器件 反向电流随光照强度的增加而上升 1 2 6特殊二极管 四 光电子器件 2 光电二极管 3 激光二极管 特点 发射单波长的光 主要是红外线 优点 效率高 1 2 6特殊二极管 1 3 1二极管的等效电阻 第三节半导体二极管电路 一 静态电阻 由二极管 线性元件和独立电源构成的电路称为二极管电路 属于非线性电路 当电路中只有直流电源 没有交流信号源时 二极管对外呈现的直流电阻称为静态电阻 一 静态电阻 1 3 1二极管的等效电阻 静态电阻 rD VD ID 非线性 当管子的工作电流和电压都确定后就在特性曲线上确定了静态 直流 工作点Q 二 动态电阻 1 3 1二极管的等效电阻 动态电阻 微变电阻或交流电阻 表示小信号工作情况下 交流电流与交流电压的变化关系 静态工作点 二 动态电阻 1 3 1二极管的等效电阻 能够近似表征器件特性的图表 曲线 函数表达式 或者由基本电路元件构成的电路都可以称为器件的模型 用数学表达式来表征器件特性的模型称为数学模型 用基本电路元件 如电阻 电容 电感 以及独立电源和受控源构成的模型 称为器件的网络模型 电路模型 器件模型的精度越高 模型的结构越复杂 要求的模型参数也越多 分析电路时计算量就越大 第三节半导体二极管电路 1 3 2二极管的模型 理想化模型 恒压降模型 分段线性模型 交流小信号模型 第三节半导体二极管电路 1 3 2二极管的模型 一 数学模型 二 电路模型 理想化模型 1 3 2二极管的模型 二 电路模型 1 3 2二极管的模型 二 电路模型 恒压降模型 1 3 2二极管的模型 二 电路模型 分段线性模型 1 3 2二极管的模型 二 电路模型 交流小信号模型 根据电路的具体情况选择合适的二极管模型 从而把非线性电路转化为线性电路并采用线性电路的分析方法进行分析计算 对于直流电路和大信号工作电路 通常采用理想模型或者恒压降模型进行分析 1 3 2二极管的模型 电路中模型的选择 对于既有直流电源又有交流小信号源的电路 一般首先利用恒压降模型进行静态分析 估算电路的Q点 然后根据Q点计算出交流电阻 再用小信号模型法进行动态分析 求出小信号作用下的交流电压 电流 最后 将交流量与静态值相叠加 得到完整的结果 1 3 2二极管的模型 电路中模型的选择 例1 3 3二极管的导通电压VD 0 7V 输入信号 求输出电压vo 包括直流量和交流量 解 可利用叠加原理将直流和交流分开考虑 1 利用恒压模型进行直流分析 求直流工作点 假设二极管为硅管 则VO VDD VD 5 0 7 4 3V 二极管的直流工作点电流 2 交流分析 二极管用理想模型 死区电压 0 正向压降 0 半波整流 第三节半导体二极管电路 1 3 3二极管模拟电路 一 二极管整流电路 二极管用恒压模型 正向压降 0 7V 硅二极管 半波整流 一 二极管整流电路 1 3 3二极管模拟电路 半波整流 一 二极管整流电路 1 3 3二极管模拟电路 利用电子器件的单向导电性将交流电变为直流电的过程称为整流 可用滤波器滤除输出电压的交流成分 获得平稳的直流电压 全波整流 一 二极管整流电路 1 3 3二极管模拟电路 按照规定的范围 将输入信号波形的一部分传送到输出端 而将其余部分消去的过程称为限幅 限幅器应能够鉴别信号的幅度 其传输特性必须具有线性区和限幅区 二 二极管限幅电路 1 3 3二极管模拟电路 下门限 上门限 二 二极管限幅电路 1 3 3二极管模拟电路 一般利用器件的开关特性实现限幅 具有上 下门限的限幅电路称为双向限幅电路 仅有一个门限的称为单向限幅电路 其中 仅有上门限的称为上限幅电路 仅有下门限的称为下限幅电路 二 二极管限幅电路 1 3 3二极管模拟电路 二极管导通 二极管截止 以上两图为上限幅电路 若改变二极管极性则可得下限幅电路 二 二极管限幅电路 1 3 3二极