第2-3讲模电课件第二章8-30.ppt

,请勿拍照、录音、录相；远离网络，认真听讲；适当笔记。,2半导体二极管及其基本电路,2.1半导体的基本知识,2.3半导体二极管,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.5特殊二极管,2.2PN结的形成及特性,第一章半导体器件,2.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一、导体、半导体和绝缘体,第一章半导体器件,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图1.1.1本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。,图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,第一章半导体器件,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度:n=p=2.381013/cm3,本征激发,复合,动态平衡,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，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,小结：,2.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N型半导体,P型半导体,一、N型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量(约十亿分之一）的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。,常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,5价杂质原子称为施主原子。,二、P型半导体,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图1.1.4P型半导体,说明：,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度；半导体中的电流基本上是多子电路。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N型半导体,(b)P型半导体,图杂质半导体的的简化表示法,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,图PN结的形成,一、PN结的形成,2.1.3PN结,PN结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN结，耗尽层。,（动画1-3）,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差Uho电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,二、PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图1.1.6,在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。,2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图1.1.7PN结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。,当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见，PN结具有单向导电性。,IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV,三、PN结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,四、PN结的伏安特性,i=f(u)之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容Cb,是由PN结的空间电荷区变化形成的。,(a)PN结加正向电压,（b)PN结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。,：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。,PN结的电容效应,2.扩散电容CD,扩散电容示意图,当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。,二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：CD。,综上所述：,PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。,Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。,一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,半导体二极管,一、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高,面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低,平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,半导体二极管图片,end,二、二极管的伏安特性及电流方程二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,三、二极管的等效电路1.将伏安特性折线化,理想二极管,近似分析中最常用,理想开关导通时UD0截止时IS0,导通时UDUon截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,二、伏安特性,死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,击穿分两种,齐纳击穿（以下）（拉出来）雪崩击穿（以上）（撞出来）,三、主要参数,1.最大整流电流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.反向击穿电压UBR,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UWRM一般是UBR的一半。,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。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。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,4.微变电阻rD,uD,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是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,5.二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,1.3.1稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,特殊二极管,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压UZ,（3）动态电阻,例12：,稳压管的稳压过程。,RL,Io,IR,Vo,IZ,IR,Vo,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压ui的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,1.3.2光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,1.3.3发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,二极管电路分析,1.静态分析,例1：求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD值。,解：,1.理想模型,正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。,2.恒压降模型,3.实际模型,当iD1mA时，vD=0.7V。,2.限幅电路,ViVR时，二极管导通，vo=vi。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2Vi3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi3.6V时，二极管截止，vo=Vi。,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例,（1）整流电路,（a）电路图（b）vs和vO的波形,2模型分析法应用举例,（2）静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路（b）习惯画法,2模型分析法应用举例,（3）限幅电路,电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。,2模型分析法应