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文档简介
1、第一章,晶体二极管,讲师:王浣,EMAIL:晶体二极管,典型封装形式示意图,1.1半导体物理基础知识,半导体:有一种物质,其导电性介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和氧化物。半导体的特性:当暴露在外界的热和光下时,其导电性会发生明显的变化。在纯半导体中加入一些杂质会明显改变其导电性。典型的半导体是硅、锗和砷化镓GaAs。半导体的电阻率为10-310-9 *厘米。1.1.1本征半导体,对于半导体中常用的硅和锗,其原子的最外层电子都是4,即有4个价电子。1.在本征半导体中,硅或锗晶体的四个价电子分别与周围四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子被这些原子共享并被它们
2、束缚,在空间中形成有序的晶体。如图所示,它们被称为单晶,是制造半导体的基本材料。用于制造半导体器件的半导体材料的纯度应该达到99.999999%,这通常被称为“九个9”。它在物理结构上是单晶。本征半导体具有纯化学成分的半导体。本征激发和复合,当导体处于0 K的热力学温度时,导体中没有自由电子。当温度升高或受到光照射时,价电子的能量增加,一些价电子可以脱离原子核的束缚,参与传导,成为自由电子。这种现象被称为内在激发(也称为热激发)。当一个自由电子产生时,在其原始共价键中出现一个空位,原子的电子中性被破坏,显示正电荷,它等于电子的负电荷。人们通常称这个带正电荷的空位为空穴。由于热激发而产生的自由电
3、子和空穴同时成对出现,它们被称为电子空穴对。一些自由电子也可能返回空穴,这被称为复合本征半导体的传导机制。自由电子的定向运动形成电子电流,空穴的定向运动也可以形成空穴电流,它们的方向相反。本征半导体中的电流由两部分组成:1 .自由电子运动产生的电流。2.空穴运动产生的电流。温度越高,载流子浓度越高。因此,本征半导体的导电性越强,温度是影响半导体性能的重要外部因素,这是半导体的主要特征。本征半导体的导电性取决于载流子的浓度。第三,热平衡载流子浓度,当温度恒定时,半导体中的本征激发和复合将在一定的平衡载流子浓度值下达到动态平衡。此时,热平衡载流子浓度为:杂质半导体为1.1.2。当一些痕量杂质被添加
4、到本征半导体中时,半导体的导电性将显著改变。成为杂质半导体,氮型半导体:掺杂五价元素的杂质可以大大增加晶体的自由电子浓度,也称为(电子半导体)。p型半导体:掺杂三价元素的杂质可以大大增加晶体空穴的浓度,也称为(空穴型半导体)。1.n型半导体,少量五价元素磷(或锑)掺杂在硅或锗晶体中,晶格中的一些半导体原子被杂质所取代,最外层的磷原子有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,并且必须有一个以上的电子,它几乎是未结合的,容易被激发成自由电子,从而使磷原子变成不动的带正电荷的离子。每个磷原子给出一个电子,这个电子被称为施主原子。、掺杂浓度远大于本征半导体中的载流子浓度,因此自由电子浓度远大
5、于空穴浓度。自由电子被称为多数载流子,空穴被称为少数载流子。在P型半导体中,少量的三价元素,如硼(或铟)被掺杂到硅或锗晶体中,晶格中的一些半导体原子被杂质所取代,最外层的硼原子有三个价电子,当与相邻的半导体原子形成共价键时会产生一个空穴。这个洞可能会吸引束缚电子来填满它,使硼原子变成不动的带负电的离子。因为硼原子接受电子,所以它们被称为受体原子。在P型半导体中,空穴浓度大大增加,而自由电子的浓度降低,因为与空穴的复合机会增加。在p型半导体中,空穴是多重态,电子是少数载流子。第三,多重态和少数载流子的热平衡浓度,不管是P型还是N型半导体,掺杂越多,多重态的数量越多,少数载流子的数量越少。当温度恒
6、定时,两个载流子的热平衡浓度值的乘积总是等于本征载流子浓度值的平方。半导体同时处于电中性状态。n0和p0分别是自由电子和空穴的浓度;Nd是施主杂质浓度,N型半导体:N型半导体:与温度无关,但温度升高,ni升高,p0升高。当p0n0时,杂质半导体变成类似的本征半导体。p型半导体具有类似的特性。少数载流子浓度的温度敏感性是半导体器件温度特性差的主要原因。1.1.3有两种传导机制:漂移和扩散。首先是漂移和漂移电流。在外电场的作用下,载流子将产生定向运动,其中自由电子逆着电场运动,空穴沿电场运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动,它产生的电流称为漂移电流。迁移率:单位场强下的平均漂移速度,与温度和掺杂
7、浓度有关。扩散和扩散电流,如图所示,如果在半导体中任何假想平面的两侧都存在浓度差,则从高浓度一侧流向低浓度一侧的载流子将比从低浓度一侧流向高浓度一侧的载流子多,从而导致载流子沿X方向的净流动。这种由浓度差引起的载流子运动称为扩散运动,并形成相应的扩散电流。扩散电流是半导体的特殊电流,不同于导体。1.2通过在本征半导体的两侧扩散不同的杂质来形成PN结、n型半导体和p型半导体。PN结的产生:1.2.1动态平衡下的PN结;1.阻挡层的形成:当扩散达到一定程度时,空间电荷区变宽;当它产生的电场增加到一定值时,多载流子扩散和少数载流子漂移达到动态平衡;此时,通过空间电荷区和PN结的净电流为零;2.内置电
8、位差,当达到动态平衡时,内置电场e产生的电位差称为内置电位差VB。VT=kT/q称为热电压,在室温下,VT为26 mv。每增加1C,VB就减少2.5毫伏.动态平衡下的势垒层宽度为:1.2.2伏安特性的PN结,具有单向导电性。如果外加电压使电流从磷区流向氮区,PN结电阻低,所以电流大;相反,它是高阻低流的。阻挡层延伸到低掺杂侧:向PN结添加直流电压,添加正向偏压:向P区添加正电压,向N区添加负电压。PN结加反向电压和反向偏压:磷面积加负电压,氮面积加正电压。第一,PN结的正特性,阻挡层的宽度减小,打破了动态平衡;多子扩散得到加强,形成较大的扩散电流。PN结的内置电场VB加上正向偏压V:减小,直到
9、VB-V阻挡层的宽度减小。e减少。漂移电流IT减小,则IDIT形成更大的多子扩散电流连续性。外部电场从磷区引出电子,同时向氮区补充电子,两者相等。保持电流是连续的。2。PN结的反向特性:外加电压增加了势垒层的宽度,加强了少数载流子漂移,打破了动态平衡,形成了一定的漂移电流。少数载流子漂移电流几乎与反向偏置电压的大小无关,这就是所谓的反向饱和电流。掺杂浓度越大,少数载流子越少,IS越小,温度越高,少数载流子浓度越高,IS越大,IS值与PN结面积成正比。PN结加反向偏置内置电场VB增加到VB V势垒层宽度E增加变大,漂移电流IT增加,则ITID形成少数载流子漂移电流的更大连续性。外部电场从氮区引出
10、电子,同时将电子补充到磷区,两者相等,保持电流连续性。3。伏安特性,PN结特性的指数表达式:当VVT,当V为负和|V|VT时,它是反向饱和电流,并且导通电压Von:被定义。当电压为冯时,PN结导通,显示低电阻特性;当电压为冯时,PN结断开,显示高阻抗特性。硅PN结:冯=0.60.8锗PN结:冯=0.20.3,1 . 2 . 3pn结的击穿特性,1。雪崩击穿,由于反向电压的增加,势垒层内部的电场增加,势垒层中载流子的动能增加;当它增加到一定程度时,载流子获得的动能足以以共价键碰撞价电子;在强电场的作用下,新的载流子与更多的载流子碰撞;这样,链式反应导致PN结的反向电流迅速增加,这被称为雪崩击穿。
11、雪崩击穿通常发生在低掺杂浓度和高击穿电压的PN结中。第二,齐纳击穿,在高掺杂浓度的PN结中,阻挡层很薄。这时,在两侧有一个小的反向电压,就可以产生一个强电场,足以将价电子从共价键中直接拉出来;这个过程被称为场激励。它能产生大量载流子,表现出反向击穿特性,这就是所谓的齐纳击穿。齐纳击穿通常发生在具有低击穿电压的高掺杂PN结中。3.齐纳二极管特性:PN结击穿后,虽然反向电流急剧增加,但PN结两端的电压几乎不变;因此,它可以制成齐纳二极管,通常是齐纳二极管。齐纳二极管符号:齐纳二极管的伏安特性曲线:最小稳定电流:确保可靠击穿所允许的最小反向电流。最大稳定电流:保证调压器安全运行所允许的最大反向电流;
12、当电流大于该电流时,施加到结的功率足以使结过热并烧毁。1 . 2 . 4pn结的温度特性:当温度升高时,IS增加,当温度升高10时,IS大约加倍;当PN结正向偏置时,它随着温度的升高而降低,但不如随着温度的升高而升高那么快。因此,PN结的正向电流随着温度的升高而略有增加,这相当于每升高1度,Von降低约2.5毫伏。1.PN结伏安特性的温度特性,最高工作温度:硅:15020锗:7510;2.击穿电压、雪崩击穿、碰撞和齐纳击穿的温度特性,当温度升高时,价电子的能态增加,并且价电子更有可能脱离共价键,因此更有可能发生齐纳击穿和击穿电压。然而,电离的可能性降低了。这时,反向电压shoul,3。PN结电
13、容,PN结的总增量结电容:当施加直流电压时:CDCT,当施加反向电压时:CD0,4。变容二极管在PN结上施加反向电压时,主要是由势垒电容组成的理想电容器件;它可以制成变容二极管。1 . 2 . 6pn结的开关特性,1。理想的开关特性,pn结正向偏置,表现出低电阻特性;PN结反向偏置,显示高电阻。忽略导通电压Von和反向饱和电流IS的影响,PN结具有理想开关的特性,可以制成开关二极管。第二,开关特性的非理想性,1由于二极管导通电压VD(on)的存在,只有当施加到二极管两端的正向偏置电压大于VD(on)时,二极管才能被认为是开关导通;2 .由于二极管导通后具有电阻特性,只有当负载电阻r远大于二极管
14、的导通电阻时,导通电阻的影响才可以忽略;当二极管反向偏置时,二极管中的电流不等于0,约为1,二极管不能完全切断电路;由于PN结电容的存在,二极管开关的导通和关断需要一定的时间。3。开关二极管参数,最大正向电流,最大反向工作电压,反向击穿电压,反向电流,零偏置电容,反向恢复时间,1.3晶体二极管的分析方法,1.3.1晶体二极管模型,1。晶体二极管的数学模型,或2。伏安特性曲线,3。等效电路模型,二极管的非线性主要表现在单向导电。当分析电路为DC或大信号时,二极管可以等效为左下图所示的大信号电路模型。二极管大信号电路模型,1。大信号电路模型,理想二极管伏安特性和电路符号,2。小信号电路模型,rj:
15、增量结电阻或肖特基电阻,或,1.3.2晶体二极管电路分析方法,1。图解法,当用图解法求解时,上述方程的求解过程是找出由上述两个公式表示的曲线的交点。1.直流分析,VDD=0,对应的v和I均为0。方程式简化如下:下图中的q点是方程式的解:由管外电路方程式描述的直线通常称为晶体二极管的负载线;2.交流分析,在(VDDVDD)的作用下,由管外电路方程表示的负载线是一组斜率为1/R并与VDD平行运动的直线。如果VDD=Vmsint,负载线将随着t的变化而平行移动,并且这些负载线和二极管伏安特性曲线的交点也将显示正弦变化,并且对应于交点的电压和电流是当t取不同值时获得的二极管响应。2.等效电路分析法,实例:如图所示,两个二极管的导通电压为0.7V,导通电阻为100,试画出Vo随电压变化的传输特性。在VI25V时,两个二极管关闭,VO=vdd2=25v,D1开启,d2在:仍关闭,当VO=vdd1时,D2开启,VO=100v,1。DC分析,解决方案。以交流分析为例,图中所示的电路被
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