半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管

半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管第1頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B授課教師：肖烜授課單位：北京理工大學自動化學院電子學教研室聯(lián)系電話：68914382（辦公室）

68912462（教研室）E－mail：bitxxuan@

第2頁/共62頁課程成績的評定分為兩大部分：1、平時成績30分；（1）課堂測試及點名：15分（2）作業(yè)：15分2、期末考試成績70分第3頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B概述

全書共分為十一章。第一章是全書的基礎(chǔ)知識，也是難點，要求理解。接下來是由各種不同的器件構(gòu)成的放大電路及特性：包括第二章，第三章，第四章、第五章和第六章。緊接著是放大電路的應(yīng)用：包括第七章、第八章和第九章。第十章也是放大電路的應(yīng)用。第4頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B概述

第十一章講述EDA技術(shù)。本書重點：第二章，第三章，第七章，第八章和第九章。通過以往的講述看，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)比數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的難度大，主要是新概念多，應(yīng)用電路復(fù)雜多樣，但各種電路實際上是有規(guī)律可循。第5頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B概述

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的整本書貫穿的是“放大”。放大電路的基本器件：晶體管和場效應(yīng)管；放大電路的組成；放大電路的特性；放大電路的應(yīng)用。第6頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B概述

什么是放大？如何正確理解電子電路的放大？

從電子學的概念看：放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換。

放大的基本特征是功率放大。能夠控制能量的元件叫做有源器件。放大電路的基本要求是不失真。第7頁/共62頁其他概念

建立工程化的概念，作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)和實際相聯(lián)系。如電阻的阻值，其實是在其標稱值某個范圍內(nèi)變化的，并不等同于標稱值。書中多次出現(xiàn)等效，近似等字眼，說明其和實際情況并不完全等同。第8頁/共62頁關(guān)于EDA技術(shù)和可編程模擬器件

EDA技術(shù)是目前研究的熱點。電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析導(dǎo)最終的完成實現(xiàn)都可以通過計算機軟件實現(xiàn)。可編程模擬器件是一類新型集成電路，可以通過改變器件的配置得到需要的電路功能。方便快捷完成模擬電路的設(shè)計、驗證和修改，縮短產(chǎn)品的研制周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。掌握一個基本的EDA軟件：PSpice。第9頁/共62頁模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)B概述課時分配：第一章：2學時第二章：6學時第三章：4學時第四章：2學時第五章:2學時第六章：1學時第七章：5學時第八章：4學時第九章：4學時第十章：2學時。共計：32學時

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1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管思考：1-3習題：1-81-91-10第11頁/共62頁

難點:

半導(dǎo)體中載流子的運動以及用載流子運動來說明半導(dǎo)體二極管工作原理。（是難點但不是重點。）本章的重點和難點重點：

從使用的角度出發(fā)理解普通二極管、穩(wěn)壓二極管工作原理，掌握其外部特性及主要參數(shù)。第12頁/共62頁1.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1本征半導(dǎo)體

半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。

把純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體有一些特殊的性質(zhì)：光敏特性、熱敏特性和摻雜特性等等。

常用的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和鍺（Ge），它們均為四價元素。第13頁/共62頁

在熱力學溫度零度和沒有外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。圖1.2硅晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)第14頁/共62頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴產(chǎn)生圖1-3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子成對出現(xiàn)成對消失三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子電子和空穴溫度一定時空穴濃度電子濃度一定且相等。濃度隨溫度升高迅速增大，具有熱敏性。復(fù)合第15頁/共62頁+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴移動方向

電子移動方向

在外電場作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電。價電子填補空穴第16頁/共62頁+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一.N型半導(dǎo)體在四價硅或鍺的晶體中摻入少量的五價元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。磷原子+4+5多余價電子自由電子正離子圖1.-4N型半導(dǎo)體第17頁/共62頁

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子,

空穴是少數(shù)載流子但仍是電中性。第18頁/共62頁+4+4+4+4+4+4+4二.P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

+4+4硼原子填補空位+3負離子空位空穴空穴電子第19頁/共62頁電子是少數(shù)載流子負離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。第20頁/共62頁一、PN結(jié)的形成

用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個PN結(jié)。1.1.3PN結(jié)第21頁/共62頁一、PN結(jié)的形成多子擴散少子漂移內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)第22頁/共62頁一、PN結(jié)的形成1.1.3PN結(jié)

由于載流子的濃度差，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散。這種由于濃度差引起的運動稱為擴散運動。

隨著擴散運動的進行，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，這個不能移動的電荷區(qū)叫空間電荷區(qū)。因沒有載流子，也叫耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層。第23頁/共62頁

由空間電荷區(qū)產(chǎn)生的、方向為N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場阻礙了擴散運動，同時使少子產(chǎn)生漂移運動，即N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。

當漂移運動和擴散運動達到動態(tài)平衡時，擴散電流等于漂移電流且方向相反，PN結(jié)中電流為零，PN結(jié)寬度及電位差Uho為恒定值。一、PN結(jié)的形成1.1.3PN結(jié)第24頁/共62頁P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向室溫下，內(nèi)電場建立的電位差：硅：（0.6～0.8）V鍺：（0.1～0.3）VPN結(jié)第25頁/共62頁二、PN結(jié)的特性1.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

所謂“單向?qū)щ娦浴笔侵窹N結(jié)在不同極性外加電壓作用下，其導(dǎo)電能力有極大差異的特性。PN結(jié)最顯著的特性為單向?qū)щ娦浴?/p>

正向接法（正偏）：P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極；

反向接法（反偏）：N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負極。第26頁/共62頁內(nèi)電場方向E外電場方向RIP區(qū)N區(qū)外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

外電場和內(nèi)電場方向相反，空間電荷區(qū)變窄，形成較大的正向電流（1）外加正向電壓(正偏)第27頁/共62頁P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場方向IR（2）外加反向電壓(反偏)少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流第28頁/共62頁PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正偏時的正向電流（是擴散電流）數(shù)值較大，此時容易導(dǎo)電；

PN結(jié)反偏時的反向電流（是漂移電流）數(shù)值很小，幾乎不導(dǎo)電。第29頁/共62頁2.PN結(jié)的伏安特性及其表達式Is為反向飽和電流，常溫時：UT≈26mV溫度對反向電流的影響大：PN加正向電壓，且U>>UT時，PN加反向電壓，且U

>>UT時，T↑少子↑↑IS↑↑I/mAU/V第30頁/共62頁3.PN結(jié)的擊穿特性

當PN結(jié)反向電壓超過一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電壓。齊納擊穿雪崩擊穿第31頁/共62頁

齊納擊穿：在摻雜濃度高的情況下，不大的反向電壓可以在耗盡層產(chǎn)生很強的電場，直接破壞共價鍵，形成電子-空穴對，導(dǎo)致電流急劇增加。硅材料一般在4V以下。3.PN結(jié)的擊穿特性第32頁/共62頁

雪崩擊穿：摻雜濃度低，當反向電壓比較大時，耗盡層中的少子加快漂移速度，撞擊共價鍵，形成電子-空穴對，新的電子和空穴在電場的作用下加速運動，撞出新的價電子。載流子雪崩式倍增，導(dǎo)致電流急劇增加。一般在7V以上。在4～7V之間，兩者都有，其溫度特性較好。3.PN結(jié)的擊穿特性第33頁/共62頁1.2半導(dǎo)體二極管

1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)和符號

將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，由P區(qū)引出的電極為陽極，N區(qū)引出的電極為陰極。點接觸型二極管

陽極引線金屬絲N型鍺外殼陰極引線PN結(jié)二極管的符號陽極陰極

陽極引線SiO2保護層P型硅陰極引線

面接觸型二極管N型硅第34頁/共62頁1.2.2二極管的伏安特性0I/mAU/V正向特性反向擊穿特性反向特性Uth

二極管和PN結(jié)一樣具有單向?qū)щ娦浴?/p>

UBR二極管和PN結(jié)的比較：

和PN結(jié)相比，二極管具有半導(dǎo)體體電阻和引線電阻，外加電壓相同時，二極管的電流比PN結(jié)的電流小。因存在表面漏電流，二極管的反向電流比PN結(jié)大。第35頁/共62頁其中：Is為反向飽和電流；

UT為溫度電壓當量。常溫下UT=26mV。（端電壓與電流關(guān)系）

在近似分析時，通常用PN結(jié)的電流方程描述二極管的伏安特性。1.2.2二極管的伏安特性第36頁/共62頁一、正向特性

閾值電壓Uth:使二極管開始導(dǎo)通的臨界電壓。常溫時：硅管Uth0.5V

鍺管Uth0.2V

正向?qū)?，電流不大時導(dǎo)通電壓：硅(0.6～0.8)V(一般取0.7V）鍺(0.1～0.3)V(一般取0.3V）0I/mAU/V正向特性反向擊穿特性反向特性Uth1.2.2二極管的伏安特性第37頁/共62頁三、擊穿特性

當二極管承受的反向電壓超過擊穿電壓UBR后，反向電流急劇增加。0I/mAU/V正向特性反向擊穿特性反向特性Uth二、反向特性

加反向電壓時，反向電流很小。（與電壓基本無關(guān)）1.2.2二極管的伏安特性第38頁/共62頁材料閾值電壓Uth

（V）導(dǎo)通電壓（V）反向飽和電流（A）硅≈0.50.6～0.8<0.1鍺≈0.10.1～0.3幾十兩種不同材料構(gòu)成的二極管的比較:1.2.2二極管的伏安特性第39頁/共62頁

環(huán)境溫度升高，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。0I/mAU/VUONUBR

80℃20℃溫度對二極管伏安特性的影響

在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降減小2—2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流增加約1倍。第40頁/共62頁1.2.3二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：二極管長期運行允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作峰值電壓UR：二極管工作時允許外加的最大反向電壓。通常為擊穿電壓U(BR)的一半。3.反向電流IR：二極管未擊穿時的反向電流，值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。?1頁/共62頁

二極管的應(yīng)用范圍很廣，它可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.2.3二極管的主要參數(shù)4.最高工作頻率fM：上限工作頻率。超過此值（由于結(jié)電容的作用）二極管的單向?qū)щ娦詫⑹艿接绊?。?2頁/共62頁1.2.4半導(dǎo)體二極管的型號及選擇一、國產(chǎn)半導(dǎo)體器件型號命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分數(shù)字表示器件的電極數(shù)拼音字母表示器件的材料和極性拼音字母表示器件的類別數(shù)字表示序號拼音表示規(guī)格號2CP10:N型硅材料小信號二極管。第43頁/共62頁二、選用二極管的一般原則1.要求導(dǎo)通后正向壓降小的選鍺管；要求反向電流小選硅管。2.工作電流大時選面接觸型；工作頻率高時選點接觸型。3.反向擊穿電壓高時選硅管。4.要求耐高溫時選硅管。第44頁/共62頁1.2.5二極管的等效電路

一、理想二極管等效模型I/mAU/V模型：正偏時壓降為零；反偏時電流為零。

二極管具有非線性的伏安特性，為便于分析，在一定條件下，對其進行線性化處理，建立二極管的“線性模型”。根據(jù)二極管的不同工作狀態(tài)及分析精度的要求，可選擇不同的模型第45頁/共62頁1.2.5二極管的等效電路二、理想二極管恒壓源模型模型：Uon

只有正偏電壓超過導(dǎo)通電壓，二極管才導(dǎo)通，其兩端電壓為常數(shù)；否則二極管不導(dǎo)通，電流為零。Uon是二極管的導(dǎo)通電壓I/mAU/VUon0第46頁/共62頁

在直流信號上，再疊加微小變化的交流信號，可以用伏安特性在Q處的切線近似表示實際的這段曲線。此切線斜率的倒數(shù)為二極管在Q處的動態(tài)等效電阻。三、微變信號模型（交流模型）UDQ△IDI/mAU/V△UDIDQQ△U+-△IDrd（動態(tài)電阻與直流工作點位置有關(guān)）第47頁/共62頁1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例1.串聯(lián)限幅電路二極管與負載電阻串聯(lián)。ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，管導(dǎo)通,ui負半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，管截止,uo＝0第48頁/共62頁2.并聯(lián)限幅電路二極管與負載電阻并聯(lián)ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，二極管導(dǎo)通，uo＝Ｕonui負半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，二極管截止，uo＝ui1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例第49頁/共62頁3.雙向限幅電路二極管反向并聯(lián)在輸出端限制了輸出信號的正負幅值uo＝Ｕon1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例第50頁/共62頁

總結(jié)：二極管有兩種工作狀態(tài)：導(dǎo)通和截止。如果導(dǎo)通，二極管兩極的電壓等于開啟電壓，如果截止，二極管電流為零，電阻無窮大。（正常工作狀態(tài)下）此結(jié)論不適用微變等效模型。1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例第51頁/共62頁

穩(wěn)壓二極管是一種用硅材料制成的面接觸型半導(dǎo)體二極管，簡稱穩(wěn)壓管。

穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。1.2.7穩(wěn)壓二極管第52頁/共62頁DZ陽極陰極符號0正向特性反向擊穿區(qū)IFUFUZIminIZmax伏安特性一、穩(wěn)壓管的伏安特性

穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。由于其曲線很陡，穩(wěn)壓特性好。1.2.7穩(wěn)壓二極管第53頁/共62頁01.穩(wěn)定電壓UZ電流為規(guī)定值時穩(wěn)壓管兩端的電壓值。2.最小穩(wěn)定電流Imin

穩(wěn)壓正常工作時的最小電流3.最大穩(wěn)定電流Izmax

穩(wěn)壓正常工作時的最大電流4.最大允許耗散功率PZM