电子线路二极管

电子线路二极管第1页，共94页，2023年，2月20日，星期一5.《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第2页，共94页，2023年，2月20日，星期一第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场效应管第3页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.1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第4页，共94页，2023年，2月20日，星期一现代电子学中，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第5页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.1.1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：第6页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.原子结构及简化模型第7页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.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：第8页，共94页，2023年，2月20日，星期一半导体晶体结构第9页，共94页，2023年，2月20日，星期一

共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。第10页，共94页，2023年，2月20日，星期一形成共价键后，每个原子的最外层电子是8个，构成稳定结构。第11页，共94页，2023年，2月20日，星期一

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。第12页，共94页，2023年，2月20日，星期一第13页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第14页，共94页，2023年，2月20日，星期一本征激发→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-空穴对第15页，共94页，2023年，2月20日，星期一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-空穴对第16页，共94页，2023年，2月20日，星期一本征半导体的载流子价电子移动载流子空穴移动？第17页，共94页，2023年，2月20日，星期一出现空穴→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。第18页，共94页，2023年，2月20日，星期一自由电子跳入空穴，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第19页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第20页，共94页，2023年，2月20日，星期一3.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第21页，共94页，2023年，2月20日，星期一本征激发中有可以证明:第22页，共94页，2023年，2月20日，星期一本征半导体的导电能力很弱。？本征半导体的特点温度越高载流子的浓度越高导电能力越强半导体性能受温度影响。第23页，共94页，2023年，2月20日，星期一硅的本征载流子浓度锗的本征载流子浓度硅的原子密度第24页，共94页，2023年，2月20日，星期一如何提高本征半导体的载流子浓度？第25页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.1.2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。杂质半导体第26页，共94页，2023年，2月20日，星期一所掺入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。第27页，共94页，2023年，2月20日，星期一第28页，共94页，2023年，2月20日，星期一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第29页，共94页，2023年，2月20日，星期一

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）。第30页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.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。第31页，共94页，2023年，2月20日，星期一第32页，共94页，2023年，2月20日，星期一杂质元素能否成为载流子？第33页，共94页，2023年，2月20日，星期一P型半导体中多子→空穴第34页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第35页，共94页，2023年，2月20日，星期一

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）。第36页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第37页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.1.3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？第38页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.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。第39页，共94页，2023年，2月20日，星期一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）第40页，共94页，2023年，2月20日，星期一总的漂移电流密度：？第41页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.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。第42页，共94页，2023年，2月20日，星期一扩散电流密度第43页，共94页，2023年，2月20日，星期一迁移率与扩散系数的关系迁移率

µ

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：第44页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.2PN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。第45页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.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。第46页，共94页，2023年，2月20日，星期一第47页，共94页，2023年，2月20日，星期一第48页，共94页，2023年，2月20日，星期一空间电荷区第49页，共94页，2023年，2月20日，星期一PN结空间电荷区→耗尽层阻挡层势垒区第50页，共94页，2023年，2月20日，星期一内建电场内电场E：N区P区第51页，共94页，2023年，2月20日，星期一内电场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；第52页，共94页，2023年，2月20日，星期一（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。第53页，共94页，2023年，2月20日，星期一阻挡层宽度与阻挡层两边的电荷量有关？空间电荷区阻挡层第54页，共94页，2023年，2月20日，星期一

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：第55页，共94页，2023年，2月20日，星期一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第56页，共94页，2023年，2月20日，星期一动态平衡时的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。第57页，共94页，2023年，2月20日，星期一电子、空穴的扩散电流和漂移电流均等值反向；动态平衡PN结：①无净电流流过PN结②空间电荷区宽度不变：结区内正、负离子数量相等；③空间电荷区外的P、N区处于热平衡状态且保持电中性。第58页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.内建电位差第59页，共94页，2023年，2月20日，星期一两中性区没有电场结边界处电场强度为零交界面处电场最强第60页，共94页，2023年，2月20日，星期一内建电位差：各点的电场强度为该点电位梯度的负值第61页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.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第62页，共94页，2023年，2月20日，星期一将引起阻挡层的变化？第63页，共94页，2023年，2月20日，星期一正偏时，各电量的变化？PN结正偏时：阻挡层变薄

？第64页，共94页，2023年，2月20日，星期一正偏→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：第65页，共94页，2023年，2月20日，星期一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第66页，共94页，2023年，2月20日，星期一PN结正偏时：在N、P区均形成非平衡少数载流子浓度分布第67页，共94页，2023年，2月20日，星期一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第68页，共94页，2023年，2月20日，星期一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.第69页，共94页，2023年，2月20日，星期一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.反向特性第70页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第71页，共94页，2023年，2月20日，星期一反向电流反偏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？第72页，共94页，2023年，2月20日，星期一反偏时，PN结呈现为一个大电阻第73页，共94页，2023年，2月20日，星期一正偏→加正向电压反偏→加反向电压PN结的单向导电性第74页，共94页，2023年，2月20日，星期一1)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：第75页，共94页，2023年，2月20日，星期一故有3.PN结的伏安特性第76页，共94页，2023年，2月20日，星期一一般而言，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：第77页，共94页，2023年，2月20日，星期一陡峭电阻小正向导通特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性第78页，共94页，2023年，2月20日，星期一PN结正偏时:正向伏安特性第79页，共94页，2023年，2月20日，星期一

第80页，共94页，2023年，2月20日，星期一正向伏安特性第81页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.2.3PN结的击穿特性反向伏安特性外加反向电压不太大时，反向电流很小第82页，共94页，2023年，2月20日，星期一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。第83页，共94页，2023年，2月20日，星期一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.雪崩击穿第84页，共94页，2023年，2月20日，星期一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.齐纳击穿第85页，共94页，2023年，2月20日，星期一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——可逆第86页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.2.4PN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结的结电容第87页，共94页，2023年，2月20日，星期一

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

第88页，共94页，2023年，2月20日，星期一由于结