模擬電子電路基礎(chǔ)課件：第4章1（第九講）PN結(jié)及二極管

1、1第4章 半導(dǎo)體器件概述 半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路的基礎(chǔ)。本章首先簡要介紹半導(dǎo)體的基本知識，再討論P(yáng)N結(jié)的形成機(jī)理和特性，然后介紹半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、場效應(yīng)管的工作原理、特性曲線、主要參數(shù)和電路模型，并在此基礎(chǔ)上，介紹了半導(dǎo)體器件的典型應(yīng)用電路。2第4章 半導(dǎo)體器件概述 一、 PN結(jié)及二極管二、 半導(dǎo)體三極管三、 半導(dǎo)體場效應(yīng)管3（一） 半導(dǎo)體和PN結(jié)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。電阻率為10-5.cm量級。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。電阻率為1014-1022 .cm量級。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕

2、緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。電阻率為10-3-109 .cm量級一、PN結(jié)及二極管4半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性-半導(dǎo)體器件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性-熱敏器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢 -光敏器件、光電器件光照特性51. 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。6常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4本征半導(dǎo)體完全純凈、

3、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個(gè)9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。7在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：8硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子9共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排

4、列，形成晶體。+4+4+4+410本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對0度（-273）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。載流子、自由電子和空穴11+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子12+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體的

5、導(dǎo)電機(jī)理13 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。14本征半導(dǎo)體載流子的濃度：電子濃度ni :表示單位體積的自由電子數(shù)空穴濃度pi :表示單位體積的空穴數(shù)。B與材料有關(guān)的常數(shù)Eg禁帶寬度T絕對溫度k玻爾曼常數(shù)結(jié)論 1. 本征半導(dǎo)體中 電子濃度ni = 空穴濃度pi 2. 載流子的濃度與T、Eg有關(guān) 15載流子的產(chǎn)生與復(fù)合:g載流子的產(chǎn)生率 即每秒成對產(chǎn)生的電子空穴的濃度。R載流子的復(fù)合率 即每秒成對復(fù)合的電子空穴的濃度。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí) g =R 162. 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體

6、的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高 摻入的三價(jià)元素如硼（或銦），形成P型半導(dǎo)體 摻入的五價(jià)元素如磷（或銻），形成N型半導(dǎo)體17(1) N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。18+4+4+5+4多余電子磷原子 由施主原子提供的電子，濃度與施主

7、原子相同。 本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。19(2) P 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。20雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和

8、少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。21(1) PN 結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。3. PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管 若使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體“親密接觸”，會發(fā)生什么現(xiàn)象？22P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng).擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)的形成23內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 載流子濃度差多子擴(kuò)散雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間

9、電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動(dòng)少子向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)，稱為漂移。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流為0。PN 結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱為高阻區(qū)、耗盡層，24VPN結(jié)的接觸電位 內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V接觸電位V決定于材料及摻雜濃度鍺： V=0.20.3硅： V=0.60.7251) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。PN結(jié)呈現(xiàn)低

10、電阻。P區(qū)電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內(nèi)外(2) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?62) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。PN結(jié)呈現(xiàn)高電阻。P區(qū)電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏；內(nèi)外27結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。28式中 Is 飽和電流; UT = kT/q 等效電壓 k 波爾茲曼常數(shù)； T=300K（室溫）時(shí) UT= 26mVPN結(jié)電

11、流方程由半導(dǎo)體物理可推出：當(dāng)加反向電壓時(shí)：當(dāng)加正向電壓時(shí)：(uUT)29Iu30(3) PN結(jié)的反向擊穿反向擊穿PN結(jié)上反向電壓達(dá)到某一數(shù)值，反向電流激增。 雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時(shí)，少子獲得能量高速運(yùn)動(dòng)，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣。使反向電流激增。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時(shí)，強(qiáng)電場直接從共價(jià)鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生不可逆擊穿 熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過熱而燒毀。31 勢壘電容CB由空間電荷區(qū)的離子薄層形

12、成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。(4) PN結(jié)電容32 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。 擴(kuò)散電容CD 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。 勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。33PN結(jié)電容 Cj=CB+CDCj一般為1

13、幾百pf，低頻時(shí)可忽略不計(jì)。 在高頻情況下，PN結(jié)正偏時(shí)，電阻較小，結(jié)電容較大（主要由擴(kuò)散電容CD決定）; PN結(jié)反偏時(shí)，電阻較大，結(jié)電容較?。ㄖ饕蓜輭倦娙軨B決定） 。PN結(jié)高頻小信號時(shí)的等效電路：勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd341. 二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。（二）二極管的基本特性352. 二極管的伏安特性是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關(guān)系。由PN結(jié)電流

14、方程求出理想的伏安特性曲線IU1.當(dāng)加正向電壓時(shí)PN結(jié)電流方程為：2.當(dāng)加反向電壓時(shí)I 隨U，呈指數(shù)規(guī)律I = - Is 基本不變362. 二極管的伏安特性(續(xù))1)正向起始部分存在一個(gè)死區(qū)或門坎，稱為閾值電壓Uth 。 硅：Uth=0.5-0.6V; 鍺：Uth=0.1-0.2V 導(dǎo)通壓降UD(ON)。 硅:UD(ON) =0.6-0.8V; 鍺: UD(ON)=0.2-0.3V 2)加反向電壓時(shí)，反向電流很小 即Is硅(nA)Is鍺(A) 硅管比鍺管穩(wěn)定3)當(dāng)反壓增大UB時(shí)再增加，反向激增，發(fā)生反向擊穿， UBR稱為反向擊穿電壓。實(shí)測伏安特性373. 二極管的開關(guān)特性 利用二極管的單向?qū)щ?/p>

15、性，可將二極管看成為一電子開關(guān)。二極管在正向?qū)ê头聪蚪刂箖煞N不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程就是二極管的開關(guān)特性。關(guān)斷時(shí)間(反向恢復(fù)時(shí)間) tre= ts + tt 其中ts 稱為存儲時(shí)間，tt稱為渡越時(shí)間。反向恢復(fù)過程實(shí)際上是存儲電荷的消失過程。38 一般開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間tre在納秒 (10-9.s)數(shù)量級。(2) 開通時(shí)間 二極管從反向截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ钑r(shí)間，相比tre可忽略不計(jì)。394.溫度對二極管伏安特性的影響 二極管是溫度的敏感器件，溫度的變化對其伏安特性的影響主要表現(xiàn)為：隨著溫度的升高，其正向特性曲線左移，即正向壓降減?。环聪蛱匦郧€下移，即反向電流增大。一般在室溫附近，溫度每升

16、高1，其正向壓降減小22.5mV；溫度每升高10，反向電流大約增大1倍左右。 40（三） 二極管的電路模型及主要參數(shù)1. 電路模型 為計(jì)算方便，在特定條件下，常用一些簡化模型來近似代替實(shí)際的二極管。二極管的直流模型如圖所示41 二極管的小信號等效電路模型如圖所示 晶體二極管的電阻非線性電阻直流電阻R(也稱靜態(tài)電阻）交流電阻r（又稱動(dòng)態(tài)電阻或微變電阻）42(1) 直流電阻及求解方法定義二極管兩端的直流電壓UD與電流ID之比IDIUUDD43 晶體二極管的電阻直流電阻的求解方法：借助于靜態(tài)工作點(diǎn)來求1. 首先確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q：借助于圖解法來求IDEDDRLUDIU由電路可列出方程：UD=ED

17、-IDRL直流負(fù)載線UD=0 ID=ED/RLID=0 UD=EDED/RLEDQIDUD2. 直流負(fù)載線與伏安特性曲線的交點(diǎn)由Q得ID和UD，從而求出直流電阻R44(2) 交流電阻rRLEDDu或?qū)嵸|(zhì)是特性曲線靜態(tài)工作點(diǎn)處的斜率交流電導(dǎo)： g=dI/duID/UT交流電阻：r=1/gUT/ID室溫下：UT26mv交流電阻：rd26mv/ID(mA)晶體二極管的正向交流電阻可由PN結(jié)電流方程求出：由此可得：452. 二極管的主要參數(shù)1). 最大整流電流 IF二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2). 反向擊穿電壓UBR 二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是UBR的一半。463) 反向電流 IR 指二極管加最高反向工作電壓UR時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩