模电课件第三章(bobo).ppt

《模电课件第三章(bobo).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电课件第三章(bobo).ppt（68页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体,3.1.4 杂质半导体,3.1.1 半导体材料,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,自然界中很容易导电的物体称为导体，金属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料。 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Ge 、硅Si 、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物

2、等。,现代电子学中，用得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。,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.2 半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,正离子,形成相对稳定的结构,1、本征半导体：纯净的,结构完整的半导体晶体,3.1.3 本征半导体,2、 本征半导体的特点：,在T = 0 K（绝对零度）和无外界激发时，没有自由运动的带电粒子载流子；此时每一原子的外围电子都被共价键所束缚，对半导体内的传导电流没有贡献。,3.1.3 本征半导体,3.1.3 本征半导体,T ，受热激发，少数价电子会挣脱共价键，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴本征激发。

3、,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,在其它力的作用下，空穴吸引邻近的电子来填补，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。,3.1.3 本征半导体,结论：空穴和电子移动的方向相反,3、本征半导体中的两种载流子：,自由电子,带正电，所带电量与电 子相等；,b. 可以“移动”(虚拟)；,c. 本征半导体中，自由电子和空穴同时成对出现，称为电子空穴对。所以两者浓度相等。,3.1.3 本征半导体,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,空穴 ( 价电子挣脱束缚后留下的空位）,载流子可以自由移动的带电粒子。 电导率与材料单位体积中所含载流子

4、数有关，载流子浓度越高，电导率越高。 半导体与导体的区别在于:半导体中有空穴,自由电子和空 穴都能移动。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大，因 此半导体的导电能力随温度增加而增加。,总结：,3.1.4 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1. 电子型（N型）半导体,本征掺杂：本征半导体 得到大量电子不产生空穴,五价磷,3.1.4 杂

5、质半导体, 特点,自由电子为多数载流子（多子） 空穴为少数载流子 （少子） (主要由本征激发产生) ；,b. 磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。,本征激发形成少量的 电子空穴对；,3.1.4 杂质半导体,2.空穴型（P型）半导体,3.1.4 杂质半导体, 特点,空穴为多数载流子（多子） 自由电子为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生)；,b. 硼原子被称为受主杂质 ，本身因获得电子而成为负离子；,本征激发形成少量的电子空穴对。,3.1.4 杂质半导体,3.1.4 杂质半导体,3. 杂质对半导体导电性的影响,在P型半导体中，受主原子（3价）浓度NA，n表示少电子的浓度（本征激发

6、），p表示总空穴的浓度，其关系为： NA+n=p 在N型半导体中，施主原子浓度ND， n表示自由电子的浓度，p表示少子空穴的浓度，其关系为： n=p+ND,总 结,1、P型半导体中空穴是多子，其中大部分是掺杂提供的空穴，本征半导体中受热激发产生的空穴只占少数。P型半导体中电子是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。 2、N型半导体中电子是多子，空穴是少子。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 3、在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法。,3

7、.1.4 杂质半导体,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。（其中空穴移动方向与电场相同，电子则相反）,扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。（如果没有其他作用，扩散运动将一直持续至载流子浓度趋于均匀，扩散电流为零）,3.2.2 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过参杂不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,当扩散和漂移达到动态平衡，即形成平衡

8、PN结。,（PN结，耗尽区，势垒区）,（促进扩散运动）,（促进漂移运动）,1、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。 2、P中的电子和N中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的电流很小。,请注意,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结导通,(1) PN结加正向电压时,外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。,总结： 1、低电阻 2、大的正向扩散电流,3.2.3 P

9、N结的单向导电性,(2) PN结加反向电压时,PN结截止,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,高电阻 很小的反向漂移电流,关键：耗尽层的存在，其宽度随外加的电压而变化。,总 结,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结加正向电压时，呈

10、现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,图3.2.4 硅二极管PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3.2.3 PN结的单向导电性,k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.50.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.20.3 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。,正向区分为两段：,当V Vth时，开始出现正向电流

11、，并按指数规律增长。,反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,3.2.4 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,雪崩击穿 （一般二极管）,齐纳击穿 （稳压二极管）,电击穿可逆,雪崩击穿： 反向电压增大-电荷区电场增大-漂移少子能量增大 -能碰撞晶体原子产生碰撞电离- 获得新的电子空穴对-倍增效应-雪崩击穿。 齐纳击穿： 反向电压增大-电荷区电场增大-电场

12、直接破坏共价键-获得新的电子空穴对-较大形成反向电流,3.2.4 PN结的反向击穿,扩散电容示意图,3.2.5 PN结的电容效应,(1) 扩散电容CD：PN结正向偏置时，多数载流子在扩散过程中形成电荷积累，正向电压变化时，其积累的电荷量也变化，这种电容称为扩散电容。,N区的空穴浓度,P区的电子浓度,3.2.5 PN结的电容效应,(2) 势垒电容CB ：PN结电压变化，空间电荷区宽度发生变化，从而引起空间电荷区内电荷变化，这种效应形成的电容称为势垒电容。,PN结的电容效应由扩散电容和势垒电容综合反应。 PN结反向偏置时电阻大，电容小，主要为势垒电容。 正向偏置时，电容大，取决于扩散电容，电阻小。

13、 频率越高，电容效应越显著。,总结,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,半导体二极管,单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负 极时电流可以通过；反之电流不能通过。,符号：,3.3.1 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、面接触型两大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，极间电容小，用于高频和数字电路。,（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于大电流整流电路。,(b)面接触型,3.3.2 二极管

14、的伏安特性,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。,(1) 正向特性,硅二极管的门坎电压Vth=0.50.8V左右， 锗二极管的门坎电压Vth=0.20.3 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称门坎电压或开启电压。,正向区分为两段：,当V Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,反向区也

15、分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,(3) 反向击穿特性,反向电流急剧增加, 管子被击穿。,电击穿：电击穿是可逆的，如稳压管。,热击穿：热击穿管子损坏，是不可逆的。,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压VBR,(3) 反向电流IR,(4) 极间电容Cd,指管子未击穿时的反向电流，值越小，单向导电性越好，受温度的影响。,是扩散电容和势垒电容之和。,二极管连续工作时，允许流过的最大正向电流的平均值。,指管子反向击穿时的电压值。为安全

16、计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,3.3.3 二极管的主要参数,(4) 反向恢复时间TRR,由于电容效应，电流不会突变，当外加电压由正偏转化为反偏时，会产生一个较大的反偏电流。 原因：扩散电容造成PN结两侧少子的积累，电压反偏后，积累的少子通过内电场产生的漂移运动释放，产生一个暂时的较大的反偏电流。,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解

17、分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,解法二：迭代法,联立方程： 计算过程复杂，实际中常使用简化模型进行分析。,1.二极管V-I 特性的建模,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。,当iD1mA时， vD=0.7V。,(2)恒压降模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,(1)理想

18、模型,(3) 折线模型（实际模型）,(4)小信号模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。,vs =Vmsint 时（VmVDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,过Q点的切线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）,（a）V-I特性 （b）电路模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,

19、（a）V-I特性 （b）电路模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,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(用理想模型进行分析),（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,(1)理想模型（相当与导线）,(2)恒压降模型（相当于反接一个0.7伏的电压源）,（硅二极管典型值）,(3)折线模型(实际模型),（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(a)，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

20、= 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。,（4）开关电路（略）,特点：利用二极管的单向导电性可作为电子开关。,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,（5）低电压稳压电路第八章,2模型分析法应用举例,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分

21、析中非常重要。,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),1.符号及稳压特性,掺杂浓度高 （容易形成强电场）,作稳压用，一般工作在反向击穿区,用2CW，2DW命名,特点,反向截止，无稳压特性,可能烧毁,正向特性和普通二极管相同,反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),1.符号及稳压特性,伏安特性,IR,RL,IO,IO,VO,IZ,IR,VO,RL,IR,VO,VO,IZ,IR,正常稳压时 VO =VZ,3. 稳压电路 (并联式稳压电路),3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),3.5.2 变容二极管,

22、（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,变容二极管：结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。,3.5.3 肖特基二极管,（a）符号 （b）正向V-I特性,肖特基二极管：具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压 比较低，在高频得到广泛的应用。,3.5.4 光电子器件,1. 光电二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,光电二极管：其PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。,3.5.4 光电子器件,2. 发光二极管,符号,光电传输系统,发光二极管：正向导通时能发光，常用作显示器件。,3.5.4 光电子器件,3. 激光二极管,（a）物理结构 （b）符号,小结,为合理选择和正确使用各种半导体器件，必须熟悉它们各自的一整套参数。这些对数大至可分为两类，一类是性能参数，如稳压管的稳定电压VZ、稳定电流IZ、温度系数等；另一类是极限参数，如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。,