电子线路(线性部分)第1章 晶体二极管

1 66 第1章晶体管及其电路 1 1半导体物理基础知识1 2PN结1 3晶体二极管电路的分析方法1 4晶体二极管的应用1 5其它二极管 2 66 1 1 1本征半导体 物质按导电性能分类 电阻率 1 导体 109 cm如橡胶 1016 cm 木头3 半导体 10 3 109 cm介于导体与绝缘体之间如Si Ge 元素半导体 0 47 cm 砷化镓 化合物半导体 掺杂或制成其他化合物半导体 如硼 B 磷 P 铟 h 和锑 Sb 等 1 1半导体的基本知识 3 66 半导体的性质 半导体之所有获得广泛应用 不在于它的导电能力 而是由于半导体的导电能力具有在不同条件下发生很大变化的特征 1 热敏性 负温度系数 如Cu 0 4 Ge 20 32 下降一半用途 热敏电阻 热补偿电阻 2 光敏性 光照影响 光强 如硫化镉薄膜电阻 暗 几十M 光照 几十K 用途 光敏电阻 3 掺杂性 掺杂影响 导体 杂质 半导体 杂质 4 66 半导体的共价键结构 1 原子结构 Si 14 Ge 32 简化模型 硅和锗的原子结构及简化模型 5 66 说明 1 整个原子呈电中性 2 内层电子受原子核束缚大 难以脱离内层电子轨道 故把原子核连同内层电子看作一个整体 叫惯性核 3 外层电子受原子核束缚小 容易脱离原子核的束缚 成为自由电子 叫价电子 原子的化学性质及导电性能主要由价电子决定 6 66 2 共价键 7 66 共价键 原子的最外层有八个电子 就形成稳定结构 共价键有很强的结合力束缚电子 由于共价键作用比较强 使价电子不能轻易脱离共有化轨道 这时的价电子称为束缚电子 在绝对零度 T 0K 并没有外界能量激发时 束缚电子不能挣脱共价键的束缚而成为自由电子 这时纯净的半导体没有自由电子 因此不导电 8 66 一 本征半导体 空穴 自由电子 定义 本征半导体是一种完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在T OK和没有外界能量激发条件下 本征半导体没有载流子 不导电 但本征半导体与绝缘体不导电在本质上是不同的 9 66 二 本征激发和复合 激发 当温度升高时 束缚电子就会获得随机热振动能量而挣脱共价键的束缚 成为自由电子的现象 复合 空穴和自由电子相遇而一起消失的现象 10 66 当束缚电子挣脱共价键的束缚成为自由电子 共价键中就留下一个空位 这个空位叫做空穴 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点 在外电场的作用下 空穴和自由电子一样 都会作定向移动 使半导体导电 电荷的定向移动形成电流 而空穴和自由电子的电荷相反 运动方向就相反 而电荷性质相反 因而产生的电流方向相同 在本征半导体内 空穴和自由电子都参与导电 都是载流子 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 空穴移动产生的电流 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半导体的导电能力越强 11 66 三 热平衡载流子浓度 在本征半导体内 本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的 激发与温度有关 复合过程与本征半导体内载流子浓度有关 也间接与温度有关 在某一温度下 当激发产生的载流子与复合消失的载流子数量一样是 激发和复合就达到平衡 动态平衡 这时 半导体中载流子浓度就稳定在某一数值 12 66 1 1 2杂质半导体 杂质半导体是指在本征半导体中掺入了微量其它元素 称为杂质 的半导体 杂质的掺入可以使半导体的导电性能发生显著的变化 根据掺入的杂质不同 杂质半导体可分为N型 电子 半导体和P型 空穴 半导体两大类 13 66 一 N型半导体 定义 在本征半导体中掺人微量的5价原子的杂质形成电子型半导体或N型半导体 5价原子的杂质会在半导体内产生多余的电子 故叫施主杂质或N型杂质 施主原子在掺杂半导体的共价键结构中多余一个电子 这个电子受原子核束缚较弱 如Si掺P Eg 0 044ev 容易挣脱原子核束缚 成为自由电子 而使施主原子成为带 1价的施主正离子 14 66 多数载流子 多子 电子少数载流子 少子 空穴 15 66 二 P型半导体定义 在本征半导体中掺人微量的3价原子的杂质形成空穴型半导体或P型半导体 受主原子在掺杂半导体的共价键结构中缺少一个电子 从而在该位置产生一个空穴 而受主原子成为带 1价的受主负离子 在硅 或锗 的晶体内掺人少量三价元素杂质 如硼 铟 铝等称空穴导电型半导体或P型半导体 而硼等三价元素杂质称为受主杂质或P型杂质 16 66 多数载流子 多子 空穴少数载流子 少子 电子 17 66 综上所述 在掺人杂质后 载流子的数目都有相当程度的增加 但两种半导体仍呈中性 多数载流子 多子 的浓度取决于 杂质浓度少数载流子 少子 的浓度取决于 温度 18 66 三 多子和少子的热平衡浓度半导体物理结果 式中 Eg0 禁带宽度 Ge 0 68ev Si 1 1ev K 玻耳兹曼常数 1 38 10 23J K A是常数T 300K Si n p 1 5 1010个 cm3 Ge n p 2 4 1013个 cm3 而且随温度变化快 19 66 热平衡状态 式中ni 本征载流子浓度no 自由电子热平衡浓度值po 空穴热平衡浓度值电中性状态 20 66 1 1 3两种导电机理 漂移和扩散漂移运动 载流子在外加电场作用下产生的运动漂移电流 漂移运动产生的电流 顺着电场的方向 扩散运动 载流子在浓度差的作用下产生的运动扩散电流 扩散运动产生的电流 与电场方向相反 21 66 1 2PN结的形成及特性 1 2 1PN结的形成 定义 在一块半导体的一侧掺入 P型 受主 杂质 另一侧掺入N型 施主 杂质 则两者交界处将形成一个PN结 22 66 平衡状态下的PN结 a 初始状态 b 平衡状态 c 电位分布 23 66 一 动态平衡下的PN结1 阻挡层的形成P区一边失去空穴 留下了带负电的杂质离子 N区一边失去电子 留下了带正电的杂质离子 但杂质离子不能任意移动 因此并不参与导电 这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷 它们集中在P区和N区交界面附近 形成了一个很薄的空间电荷区 这就是所谓的PN结 在这个区域内 多数载流子已扩散到对方并复合掉了 或者说消耗尽了 因此空间电荷区有时又称为耗尽区 它的电阻率很高 扩散越强 空间电荷区越宽 24 66 2 内建电位差在出现了空间电荷区以后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区中就形成了一个电场 其方向是从带正电的N区指向带负电的P区 由于这个电场是由载流子扩散运动即由内部形成的 而不是外加电压形成的 故称为内电场 Ei 其方向是从N区指向P区的 显然 这个内电场的方向是阻止扩散的 因为这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反 25 66 内电场还使N区的少数载流子空穴向P区漂移 使P区的少数载流子电子向N区漂移 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反 从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区失去的空穴 而从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子 这就使空间电荷减少 因此 漂移运动的结果是使空间电荷区变窄 其作用正好与扩散运动相反 多子的运动 扩散运动少子的运动 漂移运动 26 66 扩散运动和漂移运动是互相联系又互相矛盾的 扩散使空间电荷区加宽 电场增强 对多数载流子扩散的阻力增大 但使少数载流子的漂移增强 而漂移使空间电荷区变窄 电场减弱 又使扩散容易进行 当漂移运动达到和扩散运动相等时 便处于动态平衡状态 形成宽度稳定的PN结 完整过程如下 接触 扩散 空间电荷区厚度 内电场 扩散 漂移 扩散与漂移达到动态平衡 形成稳定的空间电荷区 PN结 27 66 28 66 PN结的空间电荷区存在电场 电场的方向是从N区指向P区的 这说明N区的电位要比P区高 高出的数值用V 表示 这个电位差称为接触电位差 其数值一般为零点几伏 电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡 一般称为势垒 因此又把空间电荷区称为势垒区 Si 0 5V 0 7V 0 7VGe 0 2V 0 3V 0 3V 29 66 3 阻挡层的宽度 与该侧的浓度成反比 根据杂质的变化特点 PN结可分成 突变结 缓变结 超变结 30 66 1 2 2PN结的单向导电性 一 正向特性 当PN结加上如图所示的外加电压VF时 外加电场与PN结内电场方向相反 这时 PN结原来的平衡状态被打破 P区中的多数载流空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动 使PN结变窄 即耗尽区厚度变薄 这时耗尽区中载流子增加 因而电阻减小 所以这个方向的外加电压称为正向电压或正向偏置电压 在正向电压作用下 PN结的电场减小 这样P区和N区中能越过PN结的多数载流子大大增加 形成扩散电流 这时扩散运动将大于漂移运动 N区电子不断扩散到P区 P区空穴不断扩散到N区 PN结内的电流便由起支配地位的扩散电流所决定 在外电路上形成一个流入P区的电流 称为正向电流IF 31 66 当外加电压VF升高 PN结电场便进一步减弱 扩散电流随之增加 在正常工作范围内 PN结上外加电压只要稍有变化 如0 1V 便能引起电流的显著变化 因此电流IF随外加电压急速上升 这样 正向的PN结表现为一个很小的电阻 在这种情况下 由少数载流子形成的漂移电流 其方向与扩散电流相反 和正向电流比较 其数值很小 可忽略不计 32 66 这就使得P区和N区能越过这个势垒的多数载流子数量大大增加 形成较大的扩散电流 当然 这时还存在由少数载流子形成的漂移电流 但由热激发产生的少子数量是十分有限的 少子漂移电流对总电流的影响可以忽略不计 当管子制成后 漂移电流大小主要取决于温度 而几乎与外加电压无关 所以 当PN结加正向电压时 通过PN结的电流主要是扩散电流 它随着外加电压E的增加而迅速上升 表明PN结这时呈现一个很小的电阻 这种状态称为PN结处于导通状态 33 66 当外加电压VR的正端接N区 负端接P区 外加电场方向与PN结内电场方向相同 在这种外电场作用下 P区中的空穴和N区中山电子都将进一步离开PN结 使耗尽区厚度加宽 这时PN结处于反向偏置 二 反向特性 外加电压将使PN结电场增加 这样P区和N区中的多数载流子就更难越过势垒 因此扩散电流趋近于零 但是 由于结电场的增加 使N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动 在这种情况下 PN结内的电流由起支配地位的漂移电流所决定 34 66 漂移电流的方向与扩散电流相反 表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR 它是由少数裁流子的漂移运动形成的 由于少数载流子的浓度很小 所以IR是很微弱的 一般为微安数量级 同时 少数载流子是由本征激发产生的 当管子制成后 其数值决定于温度 而几乎与外加电压VR无关 在一定温度下 由于热激发而产生的少数载流子的数量是一定的 电流的值趋于恒定 这时的反向电流IR就是反向饱和电流IS用表示 35 66 由于IS很小 所以PN结在反向偏置时 呈现出一个很大的电阻 此时可认为它基本还是不导电的 但因Is受温度的影响较大 在某些实际应用中 还必须予以考虑 由此看来 PN结的正向电阻很小 反向电阻很大 这就是它的单向导电性 36 66 三 PN结的伏安 V I 特性 根据理论分析 PN结的V I特性可表达为 VT kT q称为温度的电压当量其中k为波耳兹曼常数 1 38 10 23J K T为热力学温度 q为电子电荷 1 6 10 19C 常温下VT 26mVIs为反向饱和电流 对于分立器件 其典型值约在10 8 10 11A的范围内 集成电路中的二极管PN结 其Is值则更小 37 66 V I特性 说明如下 a VD 0 iD 0 b 当二极管的PN结两端加正向电压时 当VD VT Exp VD VT 1 所以 二极管的电流iD与电压VD成指数关系 c 当二极管加反向电压时 若 VD VT时 指数项趋近于零 因此 iD Is 可见反向饱和电流是个常数Is 不随外加反向电压的大小而变动 但因Is受温度的影响 38 66 1 2 3PN结的击穿特性 PN结的V I特性曲线 当PN结两端的反向电压增大到一定数值时 反向电流突然增加 这个现象就称为PN结的反向击穿 电击穿 发生击穿所需的反向电压VBR称为反向击穿电压 PN结电击穿从其产生原因又可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型 39 66 一 雪崩击穿 当PN结反向电压增加时 空间电荷区中的电场随着增强 通过空间电荷区的电子和空穴 在电场作用下获得的能量增大 在晶体中运动的电子和空穴 将不断地与晶体原子发生碰撞 当电子和空穴的能量足够大时 通过这样的碰撞 可使共价键中的电子激发形成自由电子 空穴对 这种现象称为碰撞电离 新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样 在电场作用下 也向相反的方向运动 重新获得能量 又可通过碰撞 再产生电子 空穴对 这就是载流子的倍增效应 当反向电压增大到某一数值后 载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样 载流子增加得多而快 使反向电流急剧增大 于是PN结就发生雪崩击穿 雪崩击穿多发生在杂质浓度较低的二极管 一般需要比较高的电压 6V 击穿电压与浓度成反比 40 66 二 齐纳击穿 在加有较高的反向电压下 PN结空间电荷区中存在一个强电场 它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子 空穴对 形成较大的反向电流 发生齐纳击穿需要的电场强度约为2 105V cm 这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到 因为杂质浓度大 空间电荷区内电荷密度 即杂质离子 也大 因而空间电荷区很窄 电场强度就可能很高 一般整流二极管掺杂浓度没有这么高 它在电击穿中多数是雪崩击穿造成的 齐纳击穿多数出现在杂质浓度较高的二极管 如稳压管 齐纳二极管 41 66 必须指出 上述两种电击穿过程是可逆的 当加在稳压管两端的反向电压降低后 管子仍可以恢复原来的状态 但它有一个前提条件 就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率 超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升 直到过热而烧毁 这种现象就是热击穿 所以热击穿和电击穿的概念是不同的 电击穿往往可为人们所利用 如稳压管 而热击穿则是必须尽量避免的 42 66 三 温度特性雪崩击穿具有正的温度系数 齐纳击穿具有负的温度系数 四 稳压二极管工作在反向击穿区的二极管 最小稳定电流 IZmin 小于该电流 二极管没有稳压作用 最大稳定电流 IZmax 大于该电流 二极管会因发热而烧坏 43 66 1 2 4PN结的电容特性 一 势垒电容 CT 由阻挡层电荷产生 类似于平板电容 与外加的反向电压成正比 二 扩散电容 CD 由阻挡层外的中性区电荷产生 与外加正向电压成正比 三 PN结电容 Cj Cj CT CD正向时 CD CT Cj以CD为主 反向时 CT CD Cj以CT为主 44 66 1 3晶体二极管电路的分析 一 数学模型 适用于工程分析 45 66 二 伏安特性曲线 适用于粗略估算 实验估算 46 66 三 简化模型 适用于大信号 正向 导通电阻为RD 线性 反向 截止理想化状态下 RD 0 相当于一开关 47 66 如果二极管在它的V I特性的某一小范围内工作 例如在静态工作点Q 即V I特性上的一个点 此时vD VD iD ID 附近工作 则可把V I特性看成为一条直线 其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd rj VQ IQ VT IQ若考虑到PN结的串联电阻 半导体的电阻 rS 高频时还有考虑PN结的结电容 则小信号电路模型可表达为下图 四 小信号模型 48 66 49 66 一 数学分析法 左边 V VDD IR右边 1 3 2晶体二极管电路分析方法 50 66 二 图解分析法 左边 直线V VDD IR右边 二极管伏安特性曲线合并左右两边 即可找到相应的工作点 51 66 三 简化分析法 图1 3 10 52 66 理想分析法 图1 3 11 53 66