二极管基础知识详细PPT课件.ppt

参考书 1 电路与模拟电子技术基础 林青 林微 顾樱华等编科学出版社2 电路基础与模拟电子技术 李树雄编著北京航空航天大学出版社主要内容 基尔霍夫定理 电路变换 戴维宁 诺顿定理 3 电子线路 线性部分 第四版 谢嘉奎主编高等教育出版社4 现代电子线路 王志刚主编清华大学 北京交通大学出版社主要内容 半导体器件 半导体电路及其工作原理 1 5 模拟电子技术基础 问答 例题 试题 陈大钦主编华中科技大学出版社6 模拟电子技术基础 第三版全程辅导苏志平主编中国建材工业出版社 7 模拟电子技术 典型题解析与实战模拟邹逢兴主编清华大学 北京交通大学出版社8 模拟电子技术 学习指导与习题精解朱定华 吴建新 饶志强编著清华大学 北京交通大学出版社9 电子线路 第四版 教学指导书汪胜宁 程东红主编高等教育出版社主要内容 半导体电路的工作原理及其习题 2 第1章半导体器件与模型 1 1半导体的导电特性 1 2PN结 1 3半导体二极管电路的等效模型及分析方法 1 4半导体三极管 1 5场效应管 3 1 1半导体的导电特性 半导体具有某些特殊性质 如光敏热敏及掺杂特性 4 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 硅原子的序数为14 锗为32 5 1 1 1本征半导体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键共用一对价电子 硅和锗的晶体结构 6 1 原子结构及简化模型 7 2 本征半导体和本征激发 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 本征半导体 8 半导体晶体结构 9 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 10 形成共价键后 每个原子的最外层电子是8个 构成稳定结构 11 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 大多数半导体在常温下束缚电子很难脱离共价键 12 13 本征激发 当温度超过常温时 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 这种现象称为本征激发 14 本征激发 热激发 价电子获得足够的能量脱离共价键的束缚 自由电子 共价键上形成空穴 自由电子 空穴对 15 本征半导体中外界激发产生的自由电子和空穴总是成对出现 两者数目相同 自由电子 空穴对 16 本征半导体的载流子 空穴移动 17 出现空穴 临近价电子填补到空穴中 在新位置留下空位 空穴迁移 相当于正电荷的移动 空穴是载流子 18 自由电子跳入空穴 重新为共价键束缚 使自由电子和空穴两者同时消失的现象 复合 19 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 20 3 本征半导体中载流子浓度 温度一定时 载流子的产生和复合将达到动态平衡 此时载流子浓度为一热平衡值 温度升高 本征激发产生的载流子数目将增加 但同时复合作用也增加 载流子的产生和复合将在新的更大浓度值的基础上达到动态平衡 动态平衡时载流子浓度 21 本征激发中有 可以证明 22 本征半导体的导电能力很弱 本征半导体的特点 23 硅的本征载流子浓度 锗的本征载流子浓度 硅的原子密度 24 如何提高本征半导体的载流子浓度 25 1 1 2杂质半导体 通过掺杂来改善本征半导体的导电能力 在本征半导体中人为掺入某种 杂质 元素形成的半导体 杂质半导体 26 所掺入5价元素称为施主杂质 或N型杂质 1 N型半导体 在本征Si中掺入微量5价元素元素后形成的杂质半导体称为N型半导体 27 28 N型半导体动态平衡载流子浓度 杂质半导体中 多子浓度近似等于杂质浓度 少子浓度与杂质浓度成反比与本征半导体载流子浓度的平方成正比 29 N型半导体中 自由电子为多子 多数载流子 空穴为少子 少数载流子 30 2 P型半导体 所掺入3价元素称为受主杂质 或P型杂质 在本征Ge中掺入微量3价元素后形成的杂质半导体称为P型半导体 31 32 杂质元素能否成为载流子 33 P型半导体中 多子 空穴 34 P型半导体动态平衡载流子浓度 温度一定时 两种载流子的产生和复合将达到平衡 35 P型半导体中 空穴为多子 多数载流子 自由电子为少子 少数载流子 36 少子浓度随温度的变化是影响半导体器件性能的主要原因 温度上升时 多子浓度几乎不变 而少子浓度则迅速增加 37 1 1 3半导体中的漂移电流和扩散电流 漂移电流形成的条件 扩散电流形成的条件 自由电子形成的电流 空穴形成的电流 38 1 漂移电流 外加电场时 载流子在电场力的作用下形成定向运动 称为漂移运动 并由此产生电流 称为漂移电流 漂移电流为两种载流子漂移电流之和 方向与外电场一致 39 漂移电流密度 电子漂移电流密度 空穴漂移电流密度 通过单位截面积的漂移电流 40 总的漂移电流密度 41 2 扩散电流 半导体中出现载流子的浓度差时 载流子由高浓度区域向低浓度区域所作的定向运动称为扩散运动 由此形成的电流称为扩散电流 42 扩散电流密度 43 迁移率与扩散系数的关系 迁移率 与扩散系数D表示半导体中载流子定向运动的难易程度 影响半导体器件的工作频率 两者之间遵循爱因斯坦关系式 44 1 2PN结 1 2 1动态平衡时的PN结 同时两类半导体中还存在少量电子空穴对 但其中正负电荷数量相等 呈电中性 室温下 N型半导体中含施主杂质 并电离为自由电子和正离子 P型半导体中含受主杂质 并电离为空穴和负离子 45 1 PN结的形成 将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体 半导体内有一物理界面 界面附近形成一个极薄的特殊区域 称为PN结 46 47 48 空间电荷区 49 PN结 空间电荷区 耗尽层 阻挡层 势垒区 50 内建电场 51 内电场E的影响 1 阻止两区多子的扩散 2 促使两区少子越结漂移 52 3 扩散电流减小 漂移电流增加 漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流 53 阻挡层宽度与阻挡层两边的电荷量有关 54 阻挡层宽度可反映内建电场强度 当PN结交界面处的截面积S一定时 阻挡层越宽 形成的带电离子电荷量越大 阻挡层在P区边的负电荷量为 阻挡层在N区边的正电荷量为 两者的绝对值相等 阻挡层两侧的宽度与掺杂浓度的关系 55 阻挡层在任一侧的宽度与该侧掺杂浓度成反比 即掺杂浓度低的一侧阻挡层宽 阻挡层主要向参杂浓度低的一侧扩展 56 动态平衡时的PN结 扩散进一步进行 空间电荷区内的离子数增多 电场E增强 漂移电流增大 当扩散电流 漂移电流时 达到平衡状态 形成PN结 57 电子 空穴的扩散电流和漂移电流均等值反向 动态平衡PN结 无净电流流过PN结 空间电荷区宽度不变 结区内正 负离子数量相等 空间电荷区外的P N区处于热平衡状态且保持电中性 58 2 内建电位差 59 60 内建电位差 各点的电场强度为该点电位梯度的负值 61 1 正向特性 1 2 2PN结的导电特性 P区接高电位 正电位 N区接低电位 负电位 PN结外加直流电压VF 62 将引起阻挡层的变化 63 正偏时 各电量的变化 PN结正偏时 阻挡层变薄 64 正偏 正向电流 多子扩散运动形成的扩散电流 内电场被削弱 多子的扩散加强 能够形成较大的扩散电流 PN结正偏时 65 外加正偏置电压时载流子浓度分布变化 在正向偏置电压的作用下 P区中的多子空穴将源源不断地通过阻挡层注入到N区 成为N区中的非平衡少子 并通过边扩散 边复合 在N区形成非平衡少子的浓度分布曲线 66 PN结正偏时 在N P区均形成非平衡少数载流子浓度分布 67 PN结正偏时 通过PN结的电流是由两个区的多子通过阻挡层的扩散而形成自P区流向N区的正向电流IF 当外加电压VF升高时 PN结的内电场进一步减弱 扩散电流随之增加 且呈指数增长 正偏时 PN结呈现为一个小电阻 68 为了保证整个闭合回路中电流的连续性 外电源必须源源不断地向P区和N区补充扩散和复合中损失的空穴和自由电子 69 PN结承受的电压 PN结反偏 P区接低电位 负电位 N区接高电位 正电位 2 反向特性 70 PN结反偏 内电场被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的电流 71 反向电流 反偏 Is称为反向饱和电流 PN结反偏 硅PN结的Is为pA级 温度T增加 Is增大 72 反偏时 PN结呈现为一个大电阻 73 正偏 加正向电压 反偏 加反向电压 PN结的单向导电性 74 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 思考题 75 故有 3 PN结的伏安特性 76 一般而言 要产生正向电流时 外加电压远大于VT 正向电流远大于Is 则可得 近似估算 正向 反向 77 78 PN结正偏时 正向伏安特性 79 80 正向伏安特性 81 1 2 3PN结的击穿特性 反向伏安特性 外加反向电压不太大时 反向电流很小 82 PN结的击穿有雪崩击穿 齐纳击穿和热击穿等 PN结的反向击穿 当反向电压增大到一定值时 反向电流急剧增大的现象 击穿时对应的反向电压 83 如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量出现倍增效应 载流子浓度增长极快 使反向电流急剧增大 这个过程像雪崩一样 阻挡层愈宽 要达到碰撞电离所要求的电场强度就愈大 因而雪崩击穿的电压较高 其值随掺杂浓度的降低而增大 1 雪崩击穿 84 场致激发在极短的时间内 使阻挡层内载流子浓度剧增 从而反向电流急剧增加 齐纳击穿发生在掺杂浓度较高的PN结中 相应的击穿电压较低 且其值随掺杂浓度的增加而减少 2 齐纳击穿 85 雪崩击穿电压随温度升高而提高 具有正的温度系数 齐纳击穿电压随温度升高而降低 具有负的温度系数 通过上述讨论可见 两种击穿电压的温度系数恰好相反 一般6V以下的击穿属于齐纳击穿 而高于6V的击穿主要是雪崩击穿 当PN结的稳定电压在6V左右时 两种击穿将同时发生 它的温度系数可接近于零 热击穿 不可逆 电击穿 可逆 86 1 2 4PN结的电容特性 在PN结两端外加电压时 外加电压的变化将引起结区内和结边界处电荷量的变化 这种变化量的比值dQ dV呈现出电容的效应 因此 PN结的电容Cj包含势垒电容CT和扩散电容CD PN结的结电容 87 PN结反偏电压的变化引起结区内电荷量的增 减效应与极板电容的充放电非常相似 故将这种效应等效为势垒电容 用CT表示 1 势垒电容CT 88 由于结区内电荷量Q随外加反偏电压的变化是非线性的关系 CT与外加反偏电压之间呈现非线性的特性 变容特性曲线 89 曲线的函数表示式 势垒电容CT可等效为并联在PN结两端 变容特性曲线 90 2 扩散电容CD PN结正偏电压的变化引起结区边界载流子浓度的增 减的效应等效为扩散电容 用CD表示 CD表征了电荷的变化量与外加电压变化量之比 91 1 在中性区内由于电中和的要求 P 区向N区注入的每一个非平衡少子 均有一个多子在它附近 于是便构成了一个点电容 扩散电容CD就是无数个点电容构成的 2 扩散电容其本质是点电容 因而它是分布电容 与势垒电容本质不同 但可等效并联在PN结上 CD可转换为电流的关系 即 92 由于CT和CD