模拟电子技术经典教程半导体器件基础

1、,2 半导体器件基础,半导体 其导电性能介于绝缘体和导体之间且受外界因素 影响较大,如光,温度和掺杂等。,半导体材料,制成电子器件的常用半导体材料 元素半导体：si，Ge等 化合物半导体：GaAs等 掺杂用半导体：B，P，Al等,硅和锗的二维晶格结构图,半导体的共价键结构,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,本征半导体：纯净的不含杂质的半导体,本征半导体及其导电作用,本征半导体的特点： 在0K时,呈绝缘体特征； 在TK时，受热激发（本征激发）；产生电子空穴对； 有两种载流子可以参与导电，即自由电子和空穴。,本征半导体的热激发过程,（动画1-1）,（动画1-2）,载流子在晶格中的移动示意图,1

2、. P型半导体 2. N型半导体,杂质半导体,在本征半导体中掺入微量的杂质（3价或5价元素）会使半导体的导电性能显著增强。,在Si（或Ge）中掺入5价元素（如磷P）,N型半导体结构示意图,N型半导体,N型半导体共价键结构示意图,1. 总的空穴数=本征激发空穴 总的自由电子数=本征激发的自由电子数+ 杂质原子 产生的自由电子 3. 自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子(少子） 4. 所掺杂质称为施主杂质（或N型杂质、施主原子） 在无外电场时，呈电中性,N型半导体的特点,在Si（或Ge）中掺入少量3价元素（如硼、铝、铟等）。,P型半导体的结构示意图,P型半导体,P型半导体的特点,电子数=本征激发

3、电子； 总的空穴数=本征激发的空穴数+杂质原子 产生的空穴； 空穴为多数载流子， 电子为少数载流子(少子）； 所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、受主原子）； 在无外电场时，呈电中性,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。空穴顺着电场方向运动，电子则反之。,扩散运动：载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。,载流子的两种运动,N 区,P区,PN结的结构,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体

4、的结合面上形成PN结。,因浓度差 ,空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,动画13,PN结的形成过程,半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,(2) 面接触型二极管,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和

5、开关电路中。,A B C D,国产二极管型号命名,N型锗材料,2 A P 1,二极管,普通管,规格号,N型锗材料,P型锗材料,N型硅材料,P型硅材料,W:稳压管，V：微波管,半导体二极管实物,单向导电性 反向击穿特性 伏安特性 开关特性,半导体二极管的特性,单向导电性,（动画1-4）,PN结加正向电压时的导电情况,正向特性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,形成正向电流,多子向PN结移动,空间电荷变窄内电场减弱,扩散运动大于漂移运动,PN结在外加正向电压时的情况分析,外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用,PN结加正向电

6、压时,低电阻 大的正向扩散电流,PN结加反向电压时的导电情况,（动画1-5）,反向特性,形成反向电流,多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强,漂移运动大于扩散运动,PN结的外加反向电压时的情况分析,外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用,PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,雪崩击穿 齐纳击穿,反向击穿特性,当外加的反向电压大于一定的数值（击穿电压）时，反向电流急剧增加 ，称为击穿。,电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。,热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而

7、烧毁,形成热击穿。,热击穿和电击穿,二极管V-I特性,Vth（ Vr ）门限电压或死区电压 Si:0.5V Ge:0.1V,Vt=kT/q(热电压） 当T=300K时，Vt=26mV IS反向饱和电流,二极管V-I关系式,二极管的伏安特性曲线,Si管与Ge管V-I特性的差异,二极管反偏时截止，似开关断开,开关特性,器件的参数是其特性的定量描述, 是正确使用和合理选择器件的依据。,二极管的参数,管子可以长期安全运行的反向工作电压。,最大反向工作电压VRM,最大正向工作电流IFM,管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流,定义:指管子流过额定电流IFM时二极管两端的管压降。,最大正向压降VF,二

8、极管在反偏电压为VRM时管子的漏电流。,最大反向电流IR,IR越小，管子的单向导电性越好。,PN结的电容效应,(1) 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,PN结的电容效应,(2) 扩散电容CD,扩散电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程。,高频时二极管的等效电路,如何判断二极管在电路中是导通的还是截止的,先假设二极管两端断开，确定二极管两

9、端的电位差；,若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。,根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于阈值电压，则管子导通，否则截止；,二极管工作状态的判定,解：将二极管两端断开,所以二极管导通,二极管工作状态的判定,解：将二极管两端断开,二极管D2导通后：,所以二极管D2先导通,所以二极管D1最终截止,作 业,P258 P2.3,二极管的电路模型及其应用举例,2.1.5 二极管的电路模型,2.1.6 二极管的应用举例,2.1.5 二极管的电路模型,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,

10、4. 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,2.1.5 二极管的电路 模型,实例,1. 二极管的静态工作情况分析,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,P16 例2.1.61,2.1.6 应用举例,1. 整流电路,2. 限幅电路,3. 钳位电路,P16 例2.1.62,2.1.7 特种二极管,1. 稳压二极管,2. 变容二极管,3. 光电子器件,光敏二极管,发光二极管,激光二极管,稳压二极管,1. 符号及稳压特性,(a)符号,(b) 伏安特性,(1) 稳

11、定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,2. 稳压二极管主要参数,稳压二极管,当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。,当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。,rZ =VZ /IZ,稳压二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？,特种二极管,变容二极管：二极管的结电容随外加反向电压的变化而变化,光敏二极管：二极管的反向电流随外加的光照强度增大而增大,发光二极管（LED）：