微電子第二講

晶體二極管1.0概述1.1半導體物理基礎知識1.2

PN結1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應用概述晶體二極管結構及電路符號：PN結正偏(P接+、N接-)，D導通。PN正極負極晶體二極管的主要特性：單向導電特性PN結反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關、檢波電路中。1.1半導體物理基礎知識半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。硅(Si)、鍺(Ge)原子結構及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核硅和鍺的單晶稱為本征半導體。它們是制造半導體器件的基本材料。硅和鍺共價鍵結構示意圖：共價鍵1.1.1本征半導體二、本征激發(fā)和復合

當T

升高或光線照射時產生自由電子空穴對。

共價鍵具有很強的結合力。當T=0K(無外界影響)

時，共價鍵中無自由移動的電子。這種現象稱本征激發(fā)。當原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。當鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一種運動，該運動可等效地看作是空穴的運動。注意：空穴運動方向與價電子填補方向相反。自由電子—帶負電半導體中有兩種導電的載流子本征激發(fā)產生的兩種載流子總是成對出現的空穴的運動空穴—帶正電注意：空穴的出現是半導體區(qū)別于導體的重要特征。復合在自由電子-空穴對產生過程中還同時存在著復合過程，這就是自由電子在熱騷動過程中和空穴相遇而釋放能量，造成自由電子-空穴對消失的過程。溫度一定時：激發(fā)與復合在某一熱平衡載流子濃度值（即單位體積內的載流子數）上達到動態(tài)平衡。三、熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度（電子或空穴）：本征半導體中本征激發(fā)—產生自由電子-空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復合。T導電能力ni或光照熱敏特性光敏特性A是常數，k是玻爾茲曼常數，Eg0是T=0K時的禁帶寬度。一、N型半導體：1.1.2雜質半導體+4+4+5+4+4N型半導體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導體中摻入少量五價元素構成。施主雜質，受晶格束縛的正離子二、P型半導體+4+4+3+4+4P型半導體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導體中摻入少量三價元素構成。受主雜質，受晶格束縛的正離子三、多子和少子熱平衡濃度N型半導體(熱平衡條件)(電中性方程)P型半導體雜質半導體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。122.少量摻雜,載流子顯著增加，導電能力增強。3.多子濃度近似等于摻雜濃度，與溫度無關,

少子濃度隨溫度升高顯著增加。4.當溫度升高，雜質半導體會變成本征半導體。5.摻入不同的雜質元素，能改變雜質半導體的導電類型，這是制造PN結的一種主要方法。1.摻雜后:多子>>少子。131.1.3兩種導電機理——漂移和擴散一、漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率遷移率：單位場強下的平均漂移速度。截面積S+-V長度l電場EI電子電流Int空穴電流Ipt14

半導體的電導率電壓：

V=E

l電流：I=SJt截面積S電阻：電導率：+-V長度l電場EI電子電流Int空穴電流Ipt15載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度：

二、擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0擴散電流是半導體的特有電流。16小結

1.半導體依靠自由電子和空穴兩種載流子導電。本征半導體存在本征激發(fā)和復合，兩種載流子電子和空穴成對出現，其濃度隨溫度升高迅速增大。2.雜質半導體

摻雜

多子

少子N型半導體：+5價磷Nd電子空穴施主雜質P型半導體：+3價硼Na空穴電子受主雜質3.半導體兩種導電方式：漂移、擴散。1.2

PN結利用摻雜工藝，把P型半導體和N型半導體在原子級上緊密結合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結。摻雜IDIT擴散電流漂移電流P型N型PN結內建電場E空間電荷區(qū)：耗盡區(qū)、阻擋層、勢壘區(qū)1.2.1動態(tài)平衡下的PN結阻止多子擴散出現內建電場開始因濃度差產生空間電荷區(qū)引起多子擴散利于少子漂移最終達動態(tài)平衡注意：PN結處于動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結的電流為零。

PN結形成的物理過程19二、內建電位差：室溫時鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V三、阻擋層寬度：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。溫度每升高1℃，VB約減小2.5mV。T=300K時，熱電壓阻擋層任一側寬度與該側摻雜濃度成反比：201.2.2

PN結的伏安特性一、正向特性P+N內建電場El0+-VPN結正偏阻擋層變薄內建電場減弱多子擴散>>少子漂移多子擴散形成較大的正向電流IPN結導通I電壓V電流I21二、反向特性P+N內建電場

El0-+VPN結反偏阻擋層變寬內建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結截止IRIR與V近似無關。溫度T電流IR結論：PN結具有單方向導電特性。IR

在某一溫度下，達到最大值ISIS的大小硅：（10-9--10-16）A鍺：（10-6--10-8）A三、伏安特性22PN結——伏安特性方程式PN結正、反向特性，可用理想的指數函數來描述：

IS為反向飽和電流,其值與外加電壓近似無關，但受溫度影響很大。正偏時：反偏時：Si:VD(on)=0.7VGe:VD(on)=0.25V導通電壓擊穿電壓反向飽和電流導通電壓23伏安特性曲線VD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結VD(on)=0.25V鍺PN結IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時隨著V

正向R

很小I

PN結導通；V<VD(on)時IR很小(IR-IS)反向R很大PN結截止。IDVVD(on)-ISSiGeO24四、溫度特性溫度每升高10℃，IS

約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)

約減小2.5mV。溫度特性正偏時，正向電流隨溫度升高略有增大。溫度升高到一定值時，呈現本征半導體特性。最高工作溫度：硅150℃---200℃鍺75℃---100℃251.2.3

PN結的擊穿特性|V反|

=V(BR)時，IR急劇，

PN結反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結摻雜濃度較低(l0

較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。形成原因：場致激發(fā)。發(fā)生條件PN結摻雜濃度較高(l0

較窄)外加反向電壓較小(<6V)V(BR)IDVO|V反|，速度，動能，碰撞。|V反|，E，場致激發(fā)。26

擊穿電壓的溫度特性

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數。

齊納擊穿電壓具有負溫度系數。

穩(wěn)壓二極管

利用PN結的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。

要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO因為T

載流子運動的平均自由路程來自外電場的能量V(BR)。因為T

價電子獲得的能量更易導致場致激發(fā)V(BR)。271.2.4

PN結的電容特性勢壘區(qū)內空間電荷量隨外加電壓變化產生的電容效應。

勢壘電容CT

擴散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產生的電容效應。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N28PN結電容PN結反偏時，CT>>CD，則Cj

CTPN結總電容：Cj=CT+CDPN結正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結正偏時，以CD

為主。故：PN結反偏時，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。

變容二極管（反偏）

變容二極管實物圖變容二極管的電路符號1.3晶體二極管電路分析方法29晶體二極管的內部結構就是一個PN結。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：

便于計算機輔助分析的數學模型

適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡化電路模型交流小信號電路模型

電路分析時采用的1.3.1晶體二極管的模型30一、數學模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時：n1I過小或過大時：n

2rS—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：上述模型僅能較好地反映正向特性；考慮到阻擋層內產生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實際IS

理想IS。31二、曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS當V>VD(on)

時二極管導通當V<VD(on)

時二極管截止當反向電壓V

V(BR)

時二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實測得到。32三、簡化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向導電性的電路中，實際二極管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)

和RD

均可忽略時，二極管的伏安特性和電路符號。開關狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時的伏安特性。簡化電路模型：折線等效時，二極管的簡化電路模型。abVD(on)D+-33四、小信號電路模型34四、小信號電路模型rsrjCjIVQrs：PN結串聯電阻，數值很小。rj：為二極管增量結電阻（肖特基電阻）。注意：高頻電路中，需考慮Cj

影響。Cj：PN結結電容，由CD

和CT兩部分構成。35前三種電路模型用來計算二極管上加特定范圍內電壓或電流值時的響應。小信號模型限于計算疊加在Q點上微小電壓或電流的響應。36一、圖解分析法分析二極管電路主要采用：圖解分析法、簡化分析法、小信號等效電路法。(重點掌握簡化分析法)

寫出管外電路直流負載線方程。1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負載線，通過作圖的方法進行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：

作直流負載線。

分析直流工作點。優(yōu)點：直觀。既可分析直流，也可分析交流。37例1已知電路參數和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點電壓和電流。+-RVDDDI+-V

由圖可寫出直流負載線方程：V=VDD

-

IR

在直流負載線上任取兩點：解：

連接兩點，畫出直流負載線。IVQVDDVDD/RVQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交點(VQ,IQ)，即為Q

點。38例2已試求圖(a)所示電路的靜態(tài)工作點電壓和電流。DR1R2+

—VDD(a)+-RTVTDI+-V(b)IVQVTVT/RTVQIQ(c)

用戴維南定理將圖(a)中的關外電路簡化成圖(b)所示電路，其中VT

=VDD

R2/(R1+R2)，RT=R1//R2。可寫出直流負載線方程：V=VT

-

IRT解：39二、簡化分析法即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進行分析、求解。

將截止的二極管開路，導通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判斷二極管是導通還是截止？假設電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導通；反之截止。實際二極管：若V>VD(on)，管子導通；反之截止。當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VA(a)R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI(b)如圖(a)所示電路中，D1，D2的VD(on)=0.7V，RD=100，試畫出VO

隨VI變化的傳輸特性。將D1、D2

看為理想二極管41R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI1VI/VVO/V0137.51002525當VI<25V時，D1和D2

都截止，得VO=VDD2=25V。當VI>25V時，D1導通和D2

仍截止，得通過D1的電流I1

：此時VO

：當VO=VA=100V時：42四、小信號分析法即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步驟：

將直流電源短路，畫交流通路。

用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。

利用小信號等效電路分析電壓與電流的變化量。43第1章晶體二極管例6如圖(a)所示電路中，IQ=0.93mA，R=10k，△VDD=sin2π×100t(V),試求△V。R10kD+_+_VDD△VDD(a)R+_△VDD△V+_(b)rsrj△I解