電路與電子技術基礎第6章(海大)

1.半導體⑴半導體的物理特性物質根據其導電性能分為導體：導電能力良好的物質。絕緣體：導電能力很差的物質。半導體：是一種導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。第一節(jié)半導體基礎知識目前一頁\總數六十五頁\編于四點半導體的導電能力具有獨特的性質。①溫度升高時，純凈的半導體的導電能力顯著增加；②在純凈半導體材料中加入微量的“雜質”元素，它的電導率就會成千上萬倍地增長；③純凈的半導體受到光照時，導電能力明顯提高。目前二頁\總數六十五頁\編于四點⑵半導體的晶體結構原子的組成：帶正電的原子核若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子且整個原子呈電中性。半導體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數是14，外層有4個電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數是32，外層也是4個電子。

目前三頁\總數六十五頁\編于四點簡化原子結構模型如圖的簡化形式。+4慣性核價電子硅和鍺的簡化原子模型目前四頁\總數六十五頁\編于四點單晶半導體結構特點：共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構成的聯(lián)系。下圖是晶體共價鍵結構的平面示意圖。晶體共價鍵結構平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵目前五頁\總數六十五頁\編于四點2.半導體的導電原理

⑴本征半導體（IntrinsicSemiconductor）純凈的、結構完整的單晶半導體，稱為本征半導體。物質導電能力的大小取決于其中能參與導電的粒子—載流子的多少。

本征半導體在絕對零度（T=0K相當于T=－273℃）時，相當于絕緣體。

在室溫條件下，本征半導體便具有一定的導電能力。目前六頁\總數六十五頁\編于四點半導體中的載流子自由電子空穴空穴和自由電子同時參加導電，是半導體的重要特點價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的同時，在原來的共價鍵位置上留下了一個空位，這個空位叫做空穴?？昭◣д姾?。目前七頁\總數六十五頁\編于四點在本征半導體中，激發(fā)出一個自由電子，同時便產生一個空穴。電子和空穴總是成對地產生，稱為電子空穴對。半導體中共價鍵分裂產生電子空穴對的過程叫做本征激發(fā)。產生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。動畫目前八頁\總數六十五頁\編于四點BA空穴自由電子圖晶體共價鍵結構平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價鍵空穴的運動實質上是價電子填補空穴而形成的。目前九頁\總數六十五頁\編于四點由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動，因此，空穴是一種載流子。半導體中有兩種載流子：自由電子載流子（簡稱電子）和空穴載流子（簡稱空穴），它們均可在電場作用下形成電流。目前十頁\總數六十五頁\編于四點半導體由于熱激發(fā)而不斷產生電子空穴對，那么，電子空穴對是否會越來越多，電子和空穴濃度是否會越來越大呢？實驗表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個定值。半導體中存在載流子的產生過程載流子的復合過程目前十一頁\總數六十五頁\編于四點綜上所述：(1)半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負電，空穴帶正電。(2)本征半導體中，電子和空穴總是成對地產生，ni=pi。(3)半導體中，同時存在載流子的產生和復合過程。目前十二頁\總數六十五頁\編于四點a:空穴帶正電量b：空穴是半導體中所特有的帶單位正電荷的粒子，與電子電量相等，符號相反空穴：自由電子載流子：帶單位負電空穴載流子：帶單位正電1、在本征激發(fā)（或熱激發(fā)）中，電子，空穴成對產生。2、在常溫下本征半導體內有兩種載流子。載流子：物體內運載電荷的粒子，決定物體的導電能力。在外電場的作用下，電子、空穴運動方向相反，對電流的貢獻是疊加的。注意：目前十三頁\總數六十五頁\編于四點本征激發(fā)電子空穴E

g1電子空穴隨機碰撞復合（自由電子釋放能量）電子空穴對消失23本征激發(fā)動態(tài)平衡復合是電子空穴對的兩種矛盾運動形式。則ni=pi本征載流子濃度：目前十四頁\總數六十五頁\編于四點⑵雜質半導體本征半導體的電導率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導體器件。本征半導體的物理性質：純凈的半導體中摻入微量元素，導電能力顯著提高。摻入的微量元素——“雜質”。摻入了“雜質”的半導體稱為“雜質”半導體。目前十五頁\總數六十五頁\編于四點常用的雜質元素三價的硼、鋁、銦、鎵五價的砷、磷、銻通過控制摻入的雜質元素的種類和數量來制成各種各樣的半導體器件。雜質半導體分為：N型半導體和P型半導體。目前十六頁\總數六十五頁\編于四點N型半導體室溫T=300k++5目前十七頁\總數六十五頁\編于四點P型半導體-目前十八頁\總數六十五頁\編于四點綜上所述：(1)本征半導體中加入五價雜質元素，便形成N型半導體。N型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子，此外還有不參加導電的正離子。(2)本征半導體中加入三價雜質元素，便形成P型半導體。其中空穴是多數載流子，電子是少數載流子，此外還有不參加導電的負離子。(3)雜質半導體中，多子濃度決定于雜質濃度，少子由本征激發(fā)產生，其濃度與溫度有關。目前十九頁\總數六十五頁\編于四點(3)漂移電流與擴散電流引起載流子定向運動的原因有兩種：由于電場而引起的定向運動――漂移運動（漂移電流）由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動――擴散運動（擴散電流）

漂移電流

在電子濃度為n,空穴濃度為p的半導體兩端外加電壓V，在電場E的作用下，空穴將沿電場方向運動，電子將沿與電場相反方向運動：EV●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●目前二十頁\總數六十五頁\編于四點擴散電流光照N型半導體x●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●目前二十一頁\總數六十五頁\編于四點NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------一、半導體的接觸現(xiàn)象第二節(jié)PN結及半導體二極管目前二十二頁\總數六十五頁\編于四點一PN結的動態(tài)平衡過程和接觸電位消弱內建電場ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------熱平衡（動態(tài)平衡）動畫目前二十三頁\總數六十五頁\編于四點NP++++++++++++++++----------------E動畫二、PN結的單向導電特性目前二十四頁\總數六十五頁\編于四點1.正向偏置，正向電流RUNP++++++++++++++++----------------UiD擴散iDiDiDiD++__目前二十五頁\總數六十五頁\編于四點NP++++++++++++++++----------------2.反向偏置，反向電流RUUiRNP++++++++++++++++----------------iRiRiRiR++__目前二十六頁\總數六十五頁\編于四點①PN結外加正向電壓PN結外加正向電壓時（P正、N負），空間電荷區(qū)變窄。不大的正向電壓，產生相當大的正向電流。外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。目前二十七頁\總數六十五頁\編于四點PN結加反向電壓時，空間電荷區(qū)變寬，自建電場增強，多子的擴散電流近似為零。反向電流很小，它由少數載流子形成，與少子濃度成正比。少子的值與外加電壓無關，因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無關，故稱為反向飽和電流。溫度升高時，少子值迅速增大，所以PN結的反向電流受溫度影響很大。②PN結外加反向電壓

目前二十八頁\總數六十五頁\編于四點結論：PN結的單向導電性：PN結加正向電壓產生大的正向電流，PN結導電。PN結加反向電壓產生很小的反向飽和電流，近似為零，PN結不導電。目前二十九頁\總數六十五頁\編于四點定量描繪PN結兩端電壓和流過結的電流的關系的曲線——PN結的伏安特性。根據理論分析，PN結的伏安特性方程為外加電壓流過PN結的電流電子電荷量q=1.6×10-19C反向飽和電流絕對溫度(K)玻耳茲曼常數k=1.38×10-23J/K自然對數的底3、PN結的伏安特性目前三十頁\總數六十五頁\編于四點令

在常溫下，T=300K，

則當U大于UT數倍即正向電流隨正向電壓的增加以指數規(guī)律迅速增大。目前三十一頁\總數六十五頁\編于四點外加反向電壓時，U為負值，當|U|比UT大幾倍時，

I≈-IS即加反向電壓時，PN結只流過很小的反向飽和電流。目前三十二頁\總數六十五頁\編于四點曲線OD段表示PN結正向偏置時的伏安特性，稱為正向特性；曲線OB段表示PN結反向偏置時的伏安特性，稱為反向特性。U（mV）I（mA）0圖

PN結的理論伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52畫出PN結的理論伏安特性曲線。目前三十三頁\總數六十五頁\編于四點加大PN結的反向電壓到某一值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓，如圖所示。

反向擊穿的特點：反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖4-6PN結反向擊穿目前三十四頁\總數六十五頁\編于四點目前三十五頁\總數六十五頁\編于四點4、

PN結的電容效應目前三十六頁\總數六十五頁\編于四點++++++++++++++++----------------RUU++__iR++++++++++++++++----------------目前三十七頁\總數六十五頁\編于四點載流子濃度。。。。。。。。。。。。。。。。ΔQpΔQn.................

PNU+ΔU⊕⊕⊕⊕⊕⊕------。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...................................................（2）擴散電容目前三十八頁\總數六十五頁\編于四點1.半導體二極管的結構和類型在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結構示意圖三、半導體二極管目前三十九頁\總數六十五頁\編于四點PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

往往用于集成電路制造中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。

(3)平面型二極管

(2)面接觸型二極管(4)二極管的代表符號(b)面接觸型陽極陰極目前四十頁\總數六十五頁\編于四點半導體二極管圖片目前四十一頁\總數六十五頁\編于四點半導體二極管圖片目前四十二頁\總數六十五頁\編于四點半導體二極管圖片目前四十三頁\總數六十五頁\編于四點2.二極管的伏安特性

二極管的伏安特性的測出。VmAVDRRW（a）測正向特性VmAVDRRW（b）測反向特性目前四十四頁\總數六十五頁\編于四點二極管的伏安特性曲線可用下式表示(a)二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD（b）2CP10-20的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）75℃20℃（c）2AP15的伏安特性曲線iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8目前四十五頁\總數六十五頁\編于四點①正向特性死區(qū)電壓：硅管0.5V鍺管0.1V線性區(qū)：硅管0.6V～1V鍺管0.2V～0.5V對溫度變化敏感：溫度升高→正向特性曲線左移溫度每升高1℃→正向壓降減小約2mV。(a)二極管理論伏安特性正向特性CDoBAUBRuDiD目前四十六頁\總數六十五頁\編于四點②反向特性反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個微安受溫度影響大：溫度每升高10℃→反向電流增加約1倍。③反向擊穿特性反向擊穿UBR:幾十伏以上。(a)二極管理論伏安特性反向擊穿特性CDoBAUBRuDiD反向特性目前四十七頁\總數六十五頁\編于四點3.二極管的主要參數目前四十八頁\總數六十五頁\編于四點4.二極管的等效電路及應用二極管特性曲線的非線性，給二極管電路的分析帶來一定困難。為了簡化分析，常常要做一些近似處理，可用某些線性電路元件來等效二極管，畫出二極管的等效電路。最常用的近似方法有二種。目前四十九頁\總數六十五頁\編于四點⑴理想二極管等效電路uDiDoDK理想二極管等效電路如果二極管導通時的正向壓降遠遠小于和它串聯(lián)的電壓，二極管截止時的反向電流遠遠小于與之并聯(lián)的電流，則可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個開關，如圖所示。目前五十頁\總數六十五頁\編于四點⑵考慮正向壓降的等效電路在二極管充分導通且工作電流不是很大時，二極管的正向壓降UD變化不大（例如硅管約為0.6~0.8V），因此近似認為二極管正向導通時有一個固定的管壓降UD（硅管取0.7V，鍺管取0.2V），于是可用一固定電壓源來等效正向導通的二極管。當外加電壓U<UD時，二極管不通，電流為零，相當于開路。圖中畫出了這種近似等效電路。

目前五十一頁\總數六十五頁\編于四點uDiDoDUD考慮正向壓降的等效電路KUD目前五十二頁\總數六十五頁\編于四點由于二極管具有單向導電性，因此利用它可以進行交流電到直流電的轉換。這樣的電路叫整流電路。圖(a)就是一個實用的單相橋式全波整流電路，常應用于直流穩(wěn)壓電源中。四個二極管Dl~D4接成電橋形式。設交流電源u為：

u

π2π3π4πtwouo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）3、二極管電路的分析方法動畫目前五十三頁\總數六十五頁\編于四點在一般整流電路中，交流電壓幅值Um都要遠遠大于二極管的正向壓降UD，因此常近似為UD

=0，可以用理想二極管等效電路來分析電路的工作原理。當交流電源u>0時，二極管Dl、D3導通，相當于開關閉合；D2、D4截止，相當于開關斷開，如圖(b)所示。因此輸出電壓uO=u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2D1D3ioAB（b）+-目前五十四頁\總數六十五頁\編于四點當u<0時，二極管D2、D4導通，Dl、D3截止，如圖(c)所示。因此uO=-u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uou+_RLD4D2D1D3ioAB（c）+-目前五十五頁\總數六十五頁\編于四點這樣無論在交流電源u的正半周還是負半周，負載RL兩端的輸出電壓uO始終是上正下負；RL電阻中的輸出電流iO始終是由A點流向B點。對應于交流電源u的波形可以畫出uO，iO及二極管中的電流iD的波形如圖(d)所示。

u

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

（d）目前五十六頁\總數六十五頁\編于四點圖(a)是一個二極管組成的限幅電路。這種電路常用于有選擇地傳輸信號波形的一部分，所傳輸的波形部分處在電路設定的參考電壓以上或以下。DURRuou++––（a）uo目前五十七頁\總數六十五頁\編于四點電路中u為交流正弦電壓信號。UR為直流參考電壓源。D為普通二極管?，F(xiàn)在用考慮正向壓降的二極管等效電路來分析電路的工作情況。若D為硅管，則正向導通壓降UD=0.7V。從而得到圖(b)的等效電路。DURRuou++––（a）kURRuou++––（b）UD目前五十八頁\總數六十五頁\編于四點從圖(b)的等效電路可見，當u>0且u>UR+UD時，二極管D導通，開關閉合，輸出電壓UO=UR十UD。