電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分CH

3.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體現(xiàn)在是1頁\一共有45頁\編輯于星期四3.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等?，F(xiàn)在是2頁\一共有45頁\編輯于星期四3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是3頁\一共有45頁\編輯于星期四3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對現(xiàn)在是4頁\一共有45頁\編輯于星期四3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體?，F(xiàn)在是5頁\一共有45頁\編輯于星期四1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)?，F(xiàn)在是6頁\一共有45頁\編輯于星期四2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)?，F(xiàn)在是7頁\一共有45頁\編輯于星期四3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3現(xiàn)在是8頁\一共有45頁\編輯于星期四本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end現(xiàn)在是9頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)

載流子的漂移與擴散現(xiàn)在是10頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。現(xiàn)在是11頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.2PN結(jié)的形成現(xiàn)在是12頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.2PN結(jié)的形成現(xiàn)在是13頁\一共有45頁\編輯于星期四在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)現(xiàn)在是14頁\一共有45頁\編輯于星期四對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。現(xiàn)在是15頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流現(xiàn)在是16頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流?，F(xiàn)在是17頁\一共有45頁\編輯于星期四

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴，F(xiàn)在是18頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）現(xiàn)在是19頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆現(xiàn)在是20頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴散電容CD擴散電容示意圖現(xiàn)在是21頁\一共有45頁\編輯于星期四3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢壘電容CBend現(xiàn)在是22頁\一共有45頁\編輯于星期四3.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)現(xiàn)在是23頁\一共有45頁\編輯于星期四3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路?，F(xiàn)在是24頁\一共有45頁\編輯于星期四（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型現(xiàn)在是25頁\一共有45頁\編輯于星期四3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性現(xiàn)在是26頁\一共有45頁\編輯于星期四3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CJ（CB、CD）end現(xiàn)在是27頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法現(xiàn)在是28頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。現(xiàn)在是29頁\一共有45頁\編輯于星期四例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點現(xiàn)在是30頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型現(xiàn)在是31頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型現(xiàn)在是32頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。現(xiàn)在是33頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型現(xiàn)在是34頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）電路模型現(xiàn)在是35頁\一共有45頁\編輯于星期四3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形現(xiàn)在是36頁\一共有45頁\編輯于星期四2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時，（自看）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法現(xiàn)在是37頁\一共有45頁\編輯于星期四2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形?，F(xiàn)在是38頁\一共有45頁\編輯于星期四2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V?，F(xiàn)在是39頁\一共有45頁\編輯于星期四end2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要?，F(xiàn)在是40頁\一共有45頁\編輯于星期四3.5特殊二極管

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號及穩(wěn)壓特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。現(xiàn)在是41頁\一共有45頁\編輯于星期四(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

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