模拟电子_半导体物理_PN结

2020 4 6 1 引言电子技术的基本任务可称之为 信号的产生 信号的传输 信号的处理任务的完成取决于对电子器件 电子电路 电子系统的性能的研究 按照功能和构成原理的不同 电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类 本篇着重讨论模拟电路的基本概念 基本原理 基本分析方法及基本应用 2020 4 6 2 传感器 压力1 压力2 温度1 温度2 放大滤波叠加组合 数模转换电路 模数转换电路 计算机数据处理 驱动电路 驱动电路 驱动电路 驱动电路 传感器 传感器 传感器 执行机构 执行机构 执行机构 执行机构 放大滤波叠加组合 数模转换电路 模数转换电路 计算机数据处理 2020 4 6 3 电子系统的构成 所谓电子系统 通常是指由若干相互联接 相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体 由于大规模集成电路和模拟 数字混合集成电路的大量出现 在单个芯片上可能集成许多种不同类型的电路 从而自成一个系统 例如 目前有多种单个芯片构成的数据采集系统产品 芯片内部往往包括多路模拟开关 可编程放大电路 取样保持电路 模数转换电路 数字信号传输与控制电路等多种功能电路 并且已互相联接成为一个单片电子系统 2020 4 6 4 信号与电信号一般地说 信号是信息的载体 例如 声音信号可以传达语言 音乐或其他信息 图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息 温度随时间而变化的信号 它是以信号波形表达信息的 上述声音信号 图像信号和温度信号均无法直接传递给电子系统 需要先用温度传感器把它转换为电信号 然后送到电子系统中去进一步处理 其他物理量也同样需要用适当的传感器转换为电信号 再输入到电子系统 所以 电信号就是随时间变化的电压或电流 其变化代表一定的信息 2020 4 6 5 为一般化起见 常把传感器作为信号源处理 如上图所示 其中图 a 以理想电压源和源内阻RS串联等效信号源 而图 b 以理想电流源和源内阻RS并联等效信号源 虽然二者是等效的 戴维宁 诺顿等效 并可相互转换 但是在信号源电阻RS远小于电子系统输入电阻Ri时 使用电压源形式更为有利 反之则使用电流源形式较方便 类似地 在多级电子电路中对其中某一级进行分析时 前一级电路的输出信号就是本级的输入信号 也可以用这两种信号源之一来简化表达前级输出 图 a 图 b 2020 4 6 6 模拟信号模拟信号的特点是 在时间上和幅值上均是连续的 在一定动态范围内可能取任意值 从宏观上看 我们周围的世界大多数物理量都是时间连续 数值连续的变量 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 2020 4 6 7 加热炉电子系统 2020 4 6 8 第五章半导体二极管及应用电路 介绍半导体的有关基础知识 阐述PN结的原理及主要特性 讨论以PN结为基本结构的双极型晶体二极管 工作原理 特性及主要参数 整流电路简介 稳压二极管的工作原理及应用电路 2020 4 6 9 5 1半导体基础知识 半导体的概念 导电能力处于导体和绝缘体之间的材料 原子之间的共价键很弱 导体属于低价元素绝缘体属于高价元素 图5 1 2020 4 6 10 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 锗原子示意图 硅原子示意图 2020 4 6 11 5 1 1本征半导体 概念 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 本征半导体结构示意图 2020 4 6 12 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 图5 2晶体中的原子排列 2020 4 6 13 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 2020 4 6 14 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 2020 4 6 15 本征激发 本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程 本征激发过程产生电子空穴对两种载流子 自由电子 空穴在外加电场的作用下 使自由电子逆着电场的方向运动 从而形成电流 在外加电场的作用下 使空穴顺着电场的方向运动 从而也形成电流 实际为价电子的填补运动所致 复合 自由电子落入空穴 使自由电子和空穴成对消失的过程 本征激发的逆过程 2020 4 6 16 图5 3本征半导体中的自由电子和空穴 2020 4 6 17 自由电子 空穴 束缚电子 本征激发过程 2020 4 6 18 本征半导体中载流子的浓度 式中 ni表示自由电子浓度 pi表示空穴的浓度 A0是与半导体材料有关的常数 k是玻尔兹曼常数 k 8 63 10 5 eV K 1 Eg0是T 0K时的禁带宽度 结论 本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系 2020 4 6 19 5 1 2杂质半导体 概念 掺入了杂质元素的半导体 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 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 两种类型的杂质元素 施主杂质 高价元素 提供电子 受主杂质 低价元素 提供空位 2020 4 6 20 5 1 2 1N型半导体 概念 在本征半导体中掺入高价元素 施主杂质 使自由电子浓度大大高于空穴浓度的半导体 图5 4N型半导体 掺入磷元素 2020 4 6 21 多余电子 磷原子 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 2020 4 6 22 5 1 2 2P型半导体 概念 在本征半导体中掺入低价元素 受主杂质 使空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体 图5 5P型半导体 掺入硼元素 2020 4 6 23 硼原子 P型半导体中空穴是多子 自由电子是少子 空穴 2020 4 6 24 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体中多子和少子的定向移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 2020 4 6 25 5 1 2 3杂质半导体中的载流子浓度 结论 杂质半导体中 自由电子和空穴浓度的乘积等于同温度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方 杂质半导体中 多子的浓度近似等于掺杂浓度 少子浓度随温度升高而迅速增大 nnpn ni2 pi2 nppp ni2 pi2 nn ND pn pp NA np N型半导体 P型半导体 式中 nn表示N型半导体中自由电子浓度 pn表示N型半导体中空穴浓度 np表示P型半导体中自由电子浓度 pp表示P型半导体中空穴浓度 ni pi分别表示本征半导体中自由电子和空穴浓度 ND表示施主杂质浓度 NA表示受主杂质浓度 2020 4 6 26 5 2PN结与晶体二极管 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 5 2 1PN结的形成及其动态平衡过程和接触电位差 P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大 在浓度差下形成扩散运动 P区的空穴 多子 向N区扩散 N区的自由电子 多子 向P区扩散 在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失 在过渡带中产生一个空间电荷区 耗尽区 扩散运动使过渡带内失去了电中性 产生电位差和电场 分别称为接触电位差和内建电场 内建电场由N区指向P区阻碍多子的扩散运动 却促进过渡带中少子的漂移运动 漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场 随着扩散运动和漂移运动的进行 最后达到一个平衡状态 2020 4 6 27 PN结的形成 2020 4 6 28 即内建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等 这种平衡称为动态平衡 这时过渡带中的接触电位差 内建电场强度 空间电荷区宽度均处于稳定值 这时我们认为PN结已经形成 并把P N的过渡带称为PN结 PN结的宽度为空间电荷区的宽度 PN结的接触电位差 T 300K时 锗的V 0 2 0 3V 硅的V 0 6 0 8V 2020 4 6 29 P型半导体区 N型半导体区 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 空间电荷区 也称耗尽层 PN结可以是不对称的 2020 4 6 30 P型半导体区 N型半导体区 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 2020 4 6 31 空间电荷区 N型区 P型区 V0 2020 4 6 32 5 2 2PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型 在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管欧姆接触 通过隧道效应 消除金属半导体势垒的接触方式 5 2 2 1单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负 N区加正电压 概念 正向偏置形成电流较大 反向偏置形成电流很小 2020 4 6 33 二极管基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 引线 外壳 触丝线 基片 点接触型 面接触型 二极管的电路符号 结电容小 耐小电流 高频小信号 结电容大 耐大电流 低频大信号 2020 4 6 34 PN结正向偏置 外电场 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 2020 4 6 35 图5 8PN结加正向电压时导通 2020 4 6 36 外加正向电压时PN结载流子的分布 PN结可以不对称的 2020 4 6 37 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E 2020 4 6 38 图5 9PN结加反向电压时截止 2020 4 6 39 PN结的伏安特性 2020 4 6 40 5 2 2 2伏安特性 伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系式或曲线 二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示 式中 iD表示流过二极管的电流 vD表示二极管两端的电压 正向偏置为正 Is表示反向饱和电流 硅 10 9 10 15A 2020 4 6 41 二极管的伏安特性曲线 死区电压硅管0 6V 锗管0 2V 导通压降 硅管0 6 0 8V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压VBR 电击穿 可逆 热击穿 不可逆 2020 4 6 42 二极管的伏安特性曲线 续 t 1 正向导通压降减小2 2 5mV t 10 Is增大一倍 2020 4 6 43 5 2 2 3二极管的电阻 直流等效电阻RD 交流 动态 电阻rd 二极管电阻 2020 4 6 44 5 2 2 4二极管的交流小信号模型 二极管电路 2020 4 6 45 5 2 3二极管的主要常数 1 最大整流电流IF IOM 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 最大反向击穿电压VBR URM 二极管反向击穿时的电压值 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 手册上给出的最高反向工作电压VR一般是VBR的一半 3 最大反向电流IR IRM 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流值 越小越好 稍大于反向饱和电流IS 几个 A 2020 4 6 46 4 最高工作频率fM 由PN结电容决定的参数 二极管的工作频率高到一定的程度 CJ对PN结起的旁路作用不容忽略 工作频率超过fM 二极管的单向导电性能变坏 2020 4 6 47 5 2 4二极管的等效电路 二极管是一个非线性元件 为了分析的方便 通常要进行线性化处理 不是任何情况下均能做到的 线性化处理包括构筑二极管参数模型和等效电路 参数模型是根据内部物理原理得到的 较为精确 主要用于EDA等 等效电路是根据外特性 VCR 得到的 主要用于近似分析 2020 4 6 48 U I 用折线代替曲线 导通电压UD 0 7V 导通 截止 UD 等效电路 理想二极管 理想二极管 等效电路 正偏 开关合上 反偏 开关断开 开关原理 2020 4 6 49 举例1 写出如图所示各电路的输出电压值 设二极管导通电压UD 0 7V 2020 4 6 50 解 UO1 1 3V UO2 0 UO3 1 3V UO4 2V UO5 1 3V UO6 2V 2020 4 6 51 DA DB R 9K R1 1K R2 1K UF A B 举例2 求下列几种情况下的UF及各元件中的电流 1 UA 10V UB 0V 2 UA 6V UB 5 8V 3 UA UB 5V二极管视为理想二极管 2020 4 6 52 设DA导通 则UF 则 DB截止所以 UF 9VIDA 10 10K 1mAIR 1mA 解答 2020 4 6 53 2 UA 6VUB 5 8V设DA与DB均导通 需要验证 则电路为 二极管为理想二极管 1K 1K 9K 6V 5 8V F 2020 4 6 54 用等效电源原理 0 5K 9K 5 9V F 2020 4 6 55 2020 4 6 56 3 UA 5VUB 5V设DA与DB均导通 需要验证 则电路为 二极管为理想二极管 1K 1K 9K 5V 5V F 2020 4 6 57 用等效电源原理 0 5K 9K 5V F 2020 4 6 58 2020 4 6 59 应用举例 P143例5 1 与门电路 P144例5 2 限幅电路 2020 4 6 60 5 3单相整流滤波电路介绍 直流电源的组成及各部分的作用 为适应整流的需要 变为单向脉动电流 减小纹波 稳定直流电压输出 直流电源的组成及各部分的作用 2020 4 6 61 220V 单向脉动电压 合适的交流电压 滤波 稳压 2020 4 6 62 单相桥式整流电路 单相桥式整流电路 简化的画法 2020 4 6 63 单相桥式整流电路的波形图 单相脉动信号 2020 4 6 64 滤波电路 滤除交流分量 1 滤波的基本概念利用电抗性元件储能作用 2 电容滤波电路 2020 4 6 65 单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形 未接入负载是电容已经充为U2的最大值 D1D3导电 D2D4导电 RLC较大 输出电压不仅变得平滑了 而且平均值也变大了 2020 4 6 66 5 4稳压二极管 U IZ 稳压误差 曲线越陡 电压越稳定 UZ 动态电阻 rz越小 稳压性能越好 5 4 1伏安特性 利用反向击穿特性 在一定的电流的范围内实现端电压不变 符号 2020 4 6 67 齐纳击穿与雪崩击穿 齐纳击穿 掺杂浓度很高 例如ND NA 1018 cm3 的PN结很薄 例如宽度只有0 04 m 只要对PN结加上不大的反向电压 就可以产生很强的电场 例如反压4V 场强可达106V cm 强电场可将耗尽区内原子共价键中的电子拉出 自由电子和空穴成对产生 反向电流剧增 齐纳击穿电压较低 雪崩击穿 掺杂浓度较低的PN结较厚 在较大的反向电压时形成漂移电流的少子在耗尽区内获得加速 动能越来越大 在反向电压大到漂移少子的动能足以撞击出耗尽区内原子的共价键电子 产生自由电子和空穴 新生电子又撞击出其他自由电子 反向电流剧增 雪崩击穿电压较高 6V 2020 4 6 68 5 最大允许功耗 1 稳定电压VZ 3 动态电阻 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 4 2稳压二极管的参数 2020 4 6 69 因此 稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管 其特性和普通二极管类似 但它的反向击穿是可逆的 不会发生 热击穿 而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直 即反向电压基本不随反向电流变化而变化 这就是稳压二极管的稳压特性 稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM 稳压值UZ一般取反向击穿电压 稳压二极管使用时一般需串联限流电阻 以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM 2020 4 6 70 在下图稳压管稳压电路中 R为限流电阻 RL为负载电阻 只要输入反向电压在超过Uz的范围内变化 负载电压则一直稳定在Uz 2020 4 6 71 稳压管稳压电路 P150 解决电源与负载的波动 稳压二极管组成的稳压电路 利用负反馈 并联型稳压电路 限流电阻 2020 4 6 72 5 4 3PN结的结电容特性与变容二极管 略 PN结电容CJ包括势垒电容CT和扩散电容CD即 CJ CT CD 5 3 3 1势垒电容CT 反偏电压变化引起耗尽区厚度变化 从而引起PN结中的电荷量变化 这种电容效应称为势垒电容 式中 CT表示势垒电容数值 Q表示PN结的电荷量 vD表示二极管的偏置电压 2020 4 6 73 CT 2020 4 6 74 5 3 3 2扩散电容CD PN结正偏时 载流子在扩散过程中存在电荷积累 正偏电压大 积累电荷多 反之积累电荷少 这种电容效应称为扩散电容 式中 表示非平衡载流子的平均寿命 扩散电容效应的形成 2020 4 6 75 二极管正向导电时 多子扩散到对方区域后 在PN结边界上积累 并有一定的浓度分布 积累的电荷量随外加电压的变化而变化 当PN结正向电压加