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1、第一章 半导体二极管及其基本电路,模拟电子技术基础,1,教育教学,实际二极管的照片,电路符号,2,教育教学,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。,1.1 半导体的基本知识,3,教育教学,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。,4,教育教学,现代电子学中，用的最多
2、的半导体是硅（+14）和锗（+32），它们的最外层电子（价电子）都是四个。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,半导体的共价键结构,5,教育教学,一、本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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：,1.1.1 本征半导体、空穴及其导电作用,6,教育教学,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,7,教育教学,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，常温下束缚电子很难
3、脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,8,教育教学,二、本征半导体的激发和复合,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，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。,1.载流子、自由电子和空穴,9,教育教学,自由电子,空穴,束缚电子,10,教育教学,2.本征
4、半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,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。,11,教育教学,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。,12,教育教学,三、热平衡载流子浓度,A是常数(硅3.88X1016 cm3 K-3/2 锗 1.76X1016 cm
5、3 K-3/2 ),K为波尔兹曼常数 8.63x10-5 eV/K=1.38X10-23 J/K,硅原子的浓度为 4.96X1022CM-3,300K 硅的 ni=1.5X1010CM-3,13,教育教学,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,14,教育教学,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代
6、，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,15,教育教学,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,16,教育教学,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,17,
7、教育教学,三、多子和少子的热平衡浓度,热平衡条件；,电中性条件；,正电荷量负电荷量,室温时，杂质原子已经全部电离,18,教育教学,四、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,19,教育教学,1.1.3 导电的机理,一、漂移与漂移电流,迁移率,up和un分别为空穴和自由电子的 迁移率(Mobility)。迁移率表示单 位场强下的平均漂移速度， 单位为cm2VS，,q是电子电量，E为外加电场强度,20,教育教学,二、扩散与扩散电流,扩散系数,Dn和Dp为比例常数，分别称为自由电子扩散系数和空穴扩散系数
8、(Diffusion Constant)，单位是cm2s(厘米2秒)，其值随温度升高而增大，空穴的Dp小于自由电子的Dn。在硅材料中，室温时Dn=34cm2s，Dp=13cm2s。,21,教育教学,上述存在载流子浓度差是半导体区别于导体的一种特有现象，在导体中，只有一种载流子(自由电子)，如果其间存在着浓度差，则必将产生自低浓度向高浓度方向的电场，依靠电场力就会迅速将高浓度的电子拉向低浓度处，因此在导体中建立不了自由电子的浓度差。 在半导体中，存在着自由电子和空穴两种载流子，当其间出现非平衡载流子，建立浓度差时，仍能处处满足电中性条件，就是说，只要存在非平衡自由电子n(x)-no，就必然存在非
9、平衡空穴p(x)-po，并且两者的数值相等，这样就不会产生不同浓度之间的电场，因而也就不会将已建立的浓度差拉平。总之，由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流。,注意事项：,22,教育教学,1.2.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,1.2 PN结及半导体二极管,23,教育教学,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,24,教育教学,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之
10、间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,25,教育教学,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,VB,26,教育教学,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,27,教育教学,由内建电场正产生的电位差称为内建电位差(Built in Voltage)，用VB表示 VT = KT/Q称为热电压 (Thermal Voltage)，单位为伏。 室温即T=300K时 VT=26mV 锗的VB 为0.20.3V，硅的VB为0.50.7
11、V。温度升高时，由于ni增大的影响比VT大，因而VB将相应减小。通常温度每升高1，VB约减小2.5mV。,二、内建电位差：,28,教育教学,三、阻挡层的宽度,如果结的截面积为S，则阻挡层在P区一边的负电荷量为 N区一边的正电荷量为 并且它们的绝对值相等,X,挡板层的任意一侧的宽度与该侧的参杂浓度成反比,29,教育教学,1.2.2 PN结的伏安特性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,30,教育教学,一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流
12、。,31,教育教学,二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,32,教育教学,三、PN 结伏安特性,温度每升高1度，反相饱和电流增加1倍,33,教育教学,四、PN 结的击穿,雪崩击穿： 随着反向电压的增大，阻挡层内部的电场增强，阻挡层中载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大。当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子空穴对。新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量急剧增多，因而
13、流过PN结的反向电流也就急剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样，所以将这种碰撞电离称为雪崩击穿(Avalanche Multiplieation ),34,教育教学,四、PN 结的击穿,齐纳击穿,当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。在这种阻挡层内，载流子与中性原子相碰撞的机会极小，因而不容易发生碰撞电离。但是，在这种阻挡层内，加上不大的反向电压，就能建立很强的电场(例如加上1V反向电压时，阻挡层内的场强可达2.5X105Vcm)，足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生自由电子-空穴对，这个过程称为场致激发。场致激发能够产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反
14、向击穿现象。这种击穿称为齐纳击穿(Zener Break down),一般而言，击穿电压在6V以下的属于齐纳击穿，6V以上的主要是雪崩击穿,35,教育教学,击穿电压的温度特性,当温度升高时，晶格的热振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短。因此，在与原子碰撞前由外加电场获得的能量减小，发生碰撞而电离的可能性也就减小。在这种情况下，必须加大反向电压，才能发生雪崩击穿。因此，雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数。,当温度升高时，由于束缚在共价键中的价电子所具有的能量状态增高。因此，在电场作用下，价电子比较容易挣脱共价键的束缚，产生自由电子-空穴对，形成场致激发。可见，齐纳击穿电压随温度
15、升高而降低，具有负的温度系数,36,教育教学,124、PN结的电容特性,一、势垒电容,PN结的阻挡层类似于平板电容器，它在交界面两侧贮存着数值相等；极性相反的离子电荷，其值随外加电压而变化,37,教育教学,二、扩散电容,当外加电压变化时，除改变阻挡层内贮存的电荷量外，还同时改变阻挡层外中性区(P区和N区)内贮存的非平衡载流子。例如，外加正向电压增大V时，注人到中性区的非平衡少子浓度相应增大，浓度分布曲线上移，如图所示：,为了维持电中性，中性区内的非平衡多子浓度也相应地增加相同面积的电荷量。这就是说。当外加电压增加V时，P区和N区中各自贮存的空穴和自由电子电荷量相等地增大Q；这种贮存电荷量随外加
16、电压而改变的电容特性等效为PN结上并联了一个电容。鉴于它是由载流子扩散而引起的，所以称为扩散电容,38,教育教学,三、PN结电容,由于CT和CD均并接在PN结上，所以PN结的总增量电容CJ为两者之即CJ =CT+CD 外加正向电压时，CD很大，且CDCT，故CJ以扩散电容为主， CJ CD ，其值自几十pF到几千pF。外加反向电压时， CD趋于零，故CJ以势垒电容为主， CJ CT ，其值自几pF到几十pF .,39,教育教学,四、变容二极管,一个PN结，外加反向电压时，它的反向电流很小，近似 开路，因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加反向电压而变化。利用这种特
17、性制作的二极管称为变容二极管，简称变容管( Varactor Diode)，它的电路符号如图。主要参数有变容指数n；电容变化范围；品质因数Q；最大允许反向电压等。,变容管是应用十分广泛的一种半导体器件。例如，谐振回路的电调谐；压控振荡器；频率调制；参量电路等。,40,教育教学,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, 1. 3 半导体二极管,41,教育教学,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,42,教育教学,三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用
18、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。,43,教育教学,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。,44,教育教学,4. 微变电
19、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。,45,教育教学,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CT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。,46,教育教学,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,二
20、极管的极间电容,kD为一常数，其值与PN结两边的掺杂浓度等有关。 扩散电容CD与通过PN结的电流I有关，其值大于势垒电容。当外加反向电压时，I=-Is，CD趋于零。,CD=kD(I+Is),47,教育教学,1.3 晶体二极管电路的分析方法,1.3.1晶体二极管模型,分析电路时，电路中的各个实际器件都必须用相应的模型(Model)来表示。实际器件的物理特性是十分复杂的。例如，一个实际电阻器件，人们往往用一个服从欧姆定律(V=RI)的理想电阻模型表示。实际上，这个模型只能在一定范围内(电压，频率等)适用。例如，加在电阻两端的电压过大时，因内部发热而引起电阻值变化，致使实际电阻器件的伏安特性偏离线性
21、。又如，工作频率过高时，实际器件的分布电感和分布电容的影响就不能忽略。此外，实际器件还存在着其它非理想因素，例如噪声等。显然，要反映这些物理特性，理想电阻模型已不再适用，而必须用更复杂的模型，事实上，即使复杂模型也只能是对实际物理特性的逼近。工程上，往往针对实际器件的主要特性，力求采用最简单的模型，使电路分析简化，同时，也是更重要的，便于从分析结果中直观地揭示出电路的主要特性。,48,教育教学,一、晶体二极管的数学模型,通常将上式指数特性称为晶体二极管的理想指数模型，因为它是在理想条件下导出的数学表达式。为了反映实际器件的伏安特性，通常的做法是用修正式,或,n称为非理想化因子，其值与I有关，I
22、为正常值时，n1；I过小或过大时，n2。rs是与阻挡层相串接的电阻，它是由阻挡层两边P区和N区中实际存在的体电阻、P区和N区与金属引线间的接触电阻以及金属引线电阻组成的总电阻，这个电阻的存在将使加到阻挡层上的电压变为(V-Irs),49,教育教学,伏安特性,v,i,伏安特性曲线是晶体二极管的曲线模型。 伏安特性曲线可以根据数学表达式直接描绘得到。 而实际上一般都是通过实测得到的。,测量精度越高，伏安特性曲线就越逼近实际器件特性。,50,教育教学,二极管正向V-I特性的模型：,1理想模型: 在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当
23、电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。,理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,51,教育教学,2、恒压降模型认为:,当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为07V。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1 mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管),52,教育教学,3折线模型:,折线模型认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。其中电池的电压为二极管的门坎电压Vth或者说导通电压VD(on)。
24、rD的值，可以这样来确定，如当二极管的导通电流为1mA时，管压降为07V则： rD=（07 V-05 V）/（1mA）=200 由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。,53,教育教学,4小信号模型：,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。 Rd=vD/iD,小信号电路模型受到V足够小的限制。工程上，限定|V|5.2mV，由此产生的误差是可容许的(参阅习题1-14)。,54,教育教学,小信号模型：,二极管的小
25、信号模型,二极管的串连电阻rs,55,教育教学,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,在频率较低时， Cj可以忽略，但是在高频信号工作时Cj在正向和反向偏置时均不能忽略。,rs,56,教育教学,二极管的电路分析方法：,概述：,模型不同，采用的分析方法也不同。,线性和非线性分割法： 计算机的迭代法： 图解法： 简化分析法： 小信号分析法,57,教育教学,图解分析法,它的管外电路方程是一线性方程式，对应的是一条直线，如图所示，该直线在两坐标轴上的交点分别为IQ，VQ,二极管的电路分析方法：,58,教育教学,二、简化分析法,用简化的模型二极管的分析十分的简单,59,教育教学,
26、3、小信号模型分析法,60,教育教学,二极管的应用举例：,1、二极管半波整流：, 1. 4 二极管基本电路及其分析方法,61,教育教学,例2：,62,教育教学,1.5.1 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,1.5 特殊二极管,63,教育教学,（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,64,教育教学,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1,65,教育教学,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：,66,教育教学,1.5.2 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,67,教育教学,1.5.3 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。,68,教育教学,