半導(dǎo)體基本器件及應(yīng)用電路

1、半導(dǎo)體基本器件及應(yīng)用電路第1頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.1半導(dǎo)體材料及導(dǎo)電特性1.1 .1 本征半導(dǎo)體1. 1 . 2 雜質(zhì)半導(dǎo)體1. 1 . 3 漂移電流與擴(kuò)散電流引言返回第2頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.1半導(dǎo)體材料及導(dǎo)電特性返回第3頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.1 .1 本征半導(dǎo)體返回第4頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.1 .1 本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）返回第5頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二E g（

2、二）本征激發(fā)和兩種載流子 a:空穴帶正電量b：空穴是半導(dǎo)體中所特有的帶單位正電荷的粒子，與電子電量相等，符號相反c：空穴在價帶內(nèi)運(yùn)動，也是一種載流子。在外電場作用下可在晶體內(nèi)定向移動空穴：自由電子載流子：帶單位負(fù)電空穴載流子 ：帶單位正電返回第6頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二（三）本征載流子（intrinsic carrier）濃度 本征激發(fā)電子空穴E g1電子 空穴隨機(jī)碰撞復(fù)合 （自由電子釋放能量）電子空穴對消失23本征激發(fā)動態(tài)平衡復(fù)合 是電子空穴對的兩種矛盾運(yùn)動形式。返回第7頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1. 1 . 2 雜質(zhì)半導(dǎo)體（

3、donor and acceptor impurities） 3.3X1012分之一返回第8頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二（一）N型半導(dǎo)體（N Type semiconductor） 室溫T=300k+5返回第9頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二（二）P型半導(dǎo)體（P type semiconductor）-返回第10頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二（三）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 本征半導(dǎo)體中載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生：ni=pi摻雜半導(dǎo)體中（N or P）摻雜越多多子濃度少子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子由兩個過程產(chǎn)生： 雜質(zhì)電離多

4、子 本征激發(fā)少子由半導(dǎo)體理論可以證明，兩種載流子的濃度滿足以下關(guān)系：1 熱平衡條件：溫度一定時，兩種載流子濃度積之，等于本征濃度的平方。N型半導(dǎo)體：若以nn表示電子（多子），pn表示空穴（少子） 則有 nn.pn=ni2P型半導(dǎo)體：pp表示空穴（多子），np表示電子濃度（少子） Pp.np=ni22 電中性條件：整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。 N型： No表示施主雜質(zhì)濃度，則：nn=No+pn P型： NA表示受主雜質(zhì)濃度， Pp=NA+np由于一般總有Nopn NAnp 所以有 N型：nnNo 且： pn ni2/ND P型：ppNA npni2/NA 多子濃度等于摻雜濃度 少子濃度與

5、本征濃度ni2有關(guān)， 與溫度無關(guān) 隨溫度升高而增加，是半導(dǎo)體 元件溫度漂移的主要原因多子濃度少子濃度返回第11頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1. 1 . 3 漂移電流與擴(kuò)散電流半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運(yùn)動會引起導(dǎo) 電電流。引起載流子定向運(yùn)動的原因有兩種：由于電場而引起的定向運(yùn)動漂移運(yùn)動。（漂移電流）由于載流子的濃度梯度而引起的定向運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動（擴(kuò)散電流）（一）漂移電流（drift current） 在電子濃度為n,空穴濃度為p的半導(dǎo)體兩端外加電壓V，在電場E的作用下，空穴將沿電場方向運(yùn)動，電子將沿與電場相反方向運(yùn)動：EV返回第12頁，共3

6、6頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二(二）擴(kuò)散 電 流（diffusion current）光照 N型半導(dǎo)體xn (x)p (x)載流子濃度熱平衡值熱平衡值x返回第13頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.2 PN結(jié)原理1.2 .2 空間電荷區(qū)特點(diǎn)：1.2.1 PN結(jié)的形成及特點(diǎn)返回第14頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二NP+-1.2 PN結(jié)原理ENP+-返回1.2.1 PN結(jié)的形成及特點(diǎn)第15頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二一PN結(jié)的動態(tài)平衡過程和接觸電位消弱內(nèi)建電場ENP+-ENP+-熱平衡（動態(tài)平衡

7、）返回第16頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.2 .2 空間電荷區(qū)特點(diǎn)：NP+-E電荷密度E電場強(qiáng)度電位qU內(nèi)建電位勢壘（電子勢能）qUPN返回第17頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.3晶體二極管及應(yīng)用132 二極管的電阻133 二極管的交流小信號等效模型1. 3. 4 二極管應(yīng)用電路131晶體二極管的伏安特性引言返回135 穩(wěn)壓管136 PN結(jié)電容137 PN結(jié)的溫度特性138 二極管主要參數(shù)第18頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1.3 晶體二極管及應(yīng)用NP+-E 晶體二極管的伏安特性返回第19頁，共36頁，2

8、022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二1. 正向偏置，正向電流RUNP+-UiDUU-U擴(kuò)散iDiDiDiD+_返回第20頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二NP+-2. 反向偏置，反向電流RUUiRNP+-UU+UiRiRiRiR+_返回第21頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二Si（二）伏安特性Ge 1.0iDuDUONUON返回第22頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二Si（二）伏安特性iR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR) 1.0iDuD返回第23頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二Si（

9、二）伏安特性iR=-IsSiGeGeU(BR)U(BR) 1.0iDuD 二極管擊穿后端電壓幾乎不變，具有穩(wěn)壓特性。返回第24頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二IDQUDiDuDuD（忽略R上的電壓）132 二極管的電阻返回第25頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二rdCJSi 1.0iDuD在低頻工作時，CJ可忽略。電路仿真133 二極管的交流小信號等效模型 返回第26頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二uiui1.3.4 二極管應(yīng)用電路1 整流電路ui0，二級管導(dǎo)通， ，uo=ui電路仿真2二極管限幅電路右圖為雙向的限幅電

10、路如果設(shè)：二極管的開啟電壓UON = 0.7V則有：|ui| UON ， D1導(dǎo)通D2截止，回路中的電流， 利用二極管正向穩(wěn)壓特性，uo= UON 。如果， ui- UON ， D1截止D2導(dǎo)通，回路中的電流， uo= -UON 。uDiDUON電路仿真+uo-返回第27頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二ui二極管應(yīng)用電路3 二極管鉗位電路 鉗位電路是一種能改變信號的直流電壓成分的電路，下圖是一個簡單的二級管鉗位電路的例子。uc=2.5Vuo設(shè)輸入信號ui為幅度+2.5V的方波信號，ui2.5V-2.5V當(dāng)ui0時，D截止， iD=0，回路無法放電，使電容C的電壓保持u

11、c=ui=2.5V，而輸出電壓：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5VVo5V電路仿真返回第28頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二IZ mi nIZ m a xUZIZUZ135 穩(wěn)壓管返回第29頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二UiUZUDIZ mi nIZ m a xUZIZUZ電路仿真返回第30頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二IZ mi nIZ m a xUZIZUZrzI zUZUZ返回第31頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二返回第32頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期二136 PN結(jié)電容+-RUU+_iR+-CCTUDuDrTCT返回第33頁，共36頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星