第1章-半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管電路

第一章：半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管電路北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院內(nèi)容提要內(nèi)容提要半導(dǎo)體材料的基本物理特性及PN結(jié)原理半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及工作特性幾種特殊二極管二極管基本應(yīng)用電路及其分析方法物質(zhì)的分類(lèi)導(dǎo)體(電阻率小于)絕緣體(電阻率大于)半導(dǎo)體（電阻率介于兩者之間）典型的半導(dǎo)體：如硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等按照導(dǎo)電能力的差別，可以將物質(zhì)分為：第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)：電阻率可因某些外界因素的改變而明顯變化摻雜特性熱敏特性光敏特性注意：決定物質(zhì)導(dǎo)電性能的因素？如金、銀、銅、鋁等如陶瓷、云母、塑料等本征半導(dǎo)體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(一)價(jià)電子Si硅原子Ge鍺原子+4價(jià)電子慣性核第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性原子排列整齊、晶格無(wú)缺陷、純凈的半導(dǎo)體，被稱(chēng)為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(二)在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相鄰的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子：+4+4+4+4晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子共價(jià)鍵慣性核第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性晶格：原子在空間排列成具有周期性和對(duì)稱(chēng)性的點(diǎn)陣本征激發(fā)及空穴的移動(dòng)+4+4+4+4當(dāng)溫度很低，沒(méi)有激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，被認(rèn)為是絕緣體當(dāng)溫度逐漸升高或有足夠光照時(shí)，將有少數(shù)價(jià)電子獲得足夠能量，可以克服共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，使得本征半導(dǎo)體具有了微弱的導(dǎo)電能力產(chǎn)生自由電子后，在原有的共價(jià)鍵中形成空穴+4+4+4+4自由電子空穴帶正電帶負(fù)電可以依靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)空穴的移動(dòng)第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性載流子的含義自由電子與空穴均可視為載流子，但所攜帶電荷的極性不同在本征半導(dǎo)體中，自由電子與空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，成為電子-空穴對(duì),從而兩種載流子的濃度相等+4+4+4+4自由電子空穴載流子：載運(yùn)電流的粒子電子濃度：空穴濃度：電子與空穴的復(fù)合及動(dòng)態(tài)平衡第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性影響本征半導(dǎo)體中載流子濃度的因素半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)隨著溫度的升高基本上按照指數(shù)規(guī)律增加第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差，原因在于本征激發(fā)的載流子數(shù)目過(guò)少雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)（摻雜），成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，可以使其導(dǎo)電性能發(fā)生質(zhì)的變化根據(jù)所摻元素的不同，又可將摻雜后的半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體（摻入5價(jià)元素）和P型半導(dǎo)體（摻入3價(jià)元素）增加載流子的數(shù)量提高導(dǎo)電率注意：摻雜時(shí)保證不破壞原有的晶格結(jié)構(gòu)第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性N型半導(dǎo)體及其性質(zhì)+4+5+4+4自由電子施主雜質(zhì)對(duì)于N型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其中的電子濃度大大高于空穴的濃度，又被稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體。其中的5價(jià)雜質(zhì)被稱(chēng)為施主雜質(zhì)N型半導(dǎo)體中:電子為多數(shù)載流子（多子），主要由雜質(zhì)原子提供空穴為少數(shù)載流子（少子），主要由熱激發(fā)產(chǎn)生+N型半導(dǎo)體表示不能導(dǎo)電第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性注意雜質(zhì)電離與熱激發(fā)的區(qū)別P型半導(dǎo)體及其性質(zhì)+4+3+4+4空位受主雜質(zhì)對(duì)于P型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其中的空穴濃度大大高于電子的濃度，又被稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。其中的3價(jià)雜質(zhì)被稱(chēng)為受主雜質(zhì)P型半導(dǎo)體中:空穴為多數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子

多子少子N型半導(dǎo)體電子空穴P型半導(dǎo)體空穴電子P型半導(dǎo)體表示不能導(dǎo)電第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性雜質(zhì)半導(dǎo)體的性質(zhì)在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：++++++------N型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化表示法P型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化表示法半導(dǎo)體雜質(zhì)的補(bǔ)償原理存在著自由電子、空穴和雜質(zhì)離子三種帶電粒子，但仍然是兩種載流子第一節(jié)：半導(dǎo)體的基本特性仍然呈現(xiàn)出電中性多子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度少子的濃度主要取決于溫度(本征激發(fā))載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)第一節(jié)：半導(dǎo)體中的載流子及其運(yùn)動(dòng)當(dāng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)外不呈現(xiàn)電流在外加或內(nèi)建電場(chǎng)作用下，載流子將有定向的“漂移運(yùn)動(dòng)”并產(chǎn)生漂移電流當(dāng)載流子濃度分布不均勻時(shí)，將從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域做定向運(yùn)動(dòng)，即“擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)”，同時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)散電流半導(dǎo)體中的電流為漂移電流與擴(kuò)散電流之和PN結(jié)的形成第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性在一塊半導(dǎo)體單晶的一邊摻入施主雜質(zhì)，制成N型半導(dǎo)體；在另一邊摻入受主雜質(zhì)，制成P型半導(dǎo)體。在兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界面處即形成了PN結(jié)當(dāng)P區(qū)和N區(qū)連接在一起構(gòu)成PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體的現(xiàn)實(shí)作用才真正發(fā)揮出來(lái)++++++------PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)與兩種運(yùn)動(dòng)阻擋層(勢(shì)壘層)：阻擋多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但引起少子的漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散++++++------漂移耗盡層阻擋層高阻區(qū)第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)中兩種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡(一)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散漂移耗盡層阻擋層多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成擴(kuò)散電流，并增加空間電荷區(qū)的寬度少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成漂移電流，并減小空間電荷區(qū)的寬度當(dāng)兩種運(yùn)動(dòng)到達(dá)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定++++++------第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)中兩種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡(二)空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散漂移耗盡層阻擋層動(dòng)態(tài)平衡時(shí)交界面兩側(cè)的空間電荷量、空間電荷區(qū)寬度、內(nèi)建電場(chǎng)等參量均為常數(shù)，且與半導(dǎo)體材料、摻雜濃度、溫度有關(guān)耗盡層為高阻區(qū)，空間電荷區(qū)以外的區(qū)域?yàn)榈妥鑵^(qū)++++++------第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性總結(jié)：PN結(jié)形成的過(guò)程空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散漂移耗盡層阻擋層濃度差++++++------多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)的接觸電位差與勢(shì)壘寬度++++++------接觸電位差：阻擋多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，又稱(chēng)為“電位勢(shì)壘”或“勢(shì)壘”空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)勢(shì)壘區(qū)的寬度主要是分布在摻雜濃度低的一側(cè)第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)的特性(一)PN++++++------內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極時(shí)，為正向接法（正偏）外電場(chǎng)勢(shì)壘區(qū)的電位差減小阻擋層內(nèi)的合成電場(chǎng)減小空間電荷總量減小空間電荷區(qū)變窄第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)的特性(二)PN++++++------內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)擴(kuò)散電流加大漂移電流基本不變正向電流的方向?yàn)橛蒔區(qū)至N區(qū)，且隨外加正向電壓增加而增加第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性？注意：PN結(jié)上的電壓與外加正向電壓和中性區(qū)電壓之間的關(guān)系PN結(jié)外加反向偏置電壓時(shí)的特性PN++++++------內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極時(shí)，為反向接法（反偏）外電場(chǎng)勢(shì)壘區(qū)的電位差增加阻擋層內(nèi)的合成電場(chǎng)增加空間電荷總量增加空間電荷區(qū)變厚第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性反向電流又被稱(chēng)為反向飽和電流，且對(duì)溫度變化非常敏感PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低的正向電阻，具有較大的正向電流，且正向電流隨正向電壓的大小急劇改變由此可以得出結(jié)論，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕旱诙?jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性即可以認(rèn)為二極管正向?qū)?，反向截止PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高的反向電阻，具有很小的反向電流，且反向電流基本不隨反向電壓的大小變化二極管的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性二極管的電路符號(hào)：：溫度電壓當(dāng)量。當(dāng)在室溫條件下T=300K時(shí)，約為26mV：外接電壓：反向飽和電流第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性二極管的電流方程若為正偏且，則有若為反偏且，則有應(yīng)了解二極管理想特性與實(shí)際特性之間的區(qū)別理想特性實(shí)際特性二極管的伏安特性第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性正向工作區(qū)：閾值電壓的含義反向工作區(qū)反向擊穿區(qū)反向擊穿電壓二極管的反向擊穿特性：反向擊穿電壓擊穿{電擊穿熱擊穿電擊穿{齊納擊穿雪崩擊穿齊納擊穿：摻雜高，擊穿電壓小于6V雪崩擊穿：摻雜低，擊穿電壓大于6V(可逆)熱擊穿：反向高壓反向大電流結(jié)溫升高載流子增多反向電流增大功耗增大。。。(不可逆)第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性二極管的溫度特性溫度升高時(shí)，反向電流增大工程上可近似認(rèn)為溫度每增加10攝氏度，約增大一倍溫度升高時(shí)，正向伏安特性左移工程上可近似認(rèn)為電流保持不變時(shí)，溫度每增加1攝氏度，二極管壓降約減小第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性總結(jié)簡(jiǎn)要說(shuō)明溫度對(duì)本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體、PN結(jié)(二極管)的如下重要參數(shù)的影響及關(guān)系第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性本征激發(fā)的濃度多子、少子的數(shù)目反向飽和電流導(dǎo)通壓降PN結(jié)電容-產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：PN結(jié)兩端電壓發(fā)生變化時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷量將隨之變化PN結(jié)正偏時(shí)，由于載流子的擴(kuò)散，會(huì)在中性區(qū)內(nèi)形成非平衡載流子的存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)電荷量與外加正偏電壓的大小有關(guān)這些積累的電荷隨著外加電壓的變化而變化，即表現(xiàn)為二極管的電容效應(yīng)（即等效）第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)電容-勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容描述的是勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的空間電荷隨PN結(jié)外加電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)，用表示勢(shì)壘電容是非線(xiàn)性電容，將隨著外加電壓的變化而改變可以據(jù)此制成專(zhuān)用的變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管皆應(yīng)用在反向偏置狀態(tài)反偏時(shí)空荷區(qū)擴(kuò)大，等效平板電容的距離增加；正偏時(shí)空荷區(qū)變小，等效平板電容的距離減小第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)電容-擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容也是非線(xiàn)性電容，將隨著外加電壓的變化而改變當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，載流子穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)散，在勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)的中性區(qū)將產(chǎn)生由非平衡載流子造成的電荷積累。在電壓變化時(shí)，積累的電荷發(fā)生變化，該效應(yīng)即為擴(kuò)散電容效應(yīng)，用表示第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性PN結(jié)電容-總結(jié)勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容為并聯(lián)，PN結(jié)電容為兩者之和：正向偏置時(shí)PN結(jié)電容以擴(kuò)散電容為主，反向偏置時(shí)以勢(shì)壘電容為主PN結(jié)的電容效應(yīng)將影響晶體管的響應(yīng)速度和高頻特性第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性二極管的主要參數(shù)最大整流電流最高反向工作電壓二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流二極管工作時(shí)允許外加的最大反向電壓第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性反向電流二極管未擊穿時(shí)的反向電流最高工作頻率二極管的上限工作頻率使用二極管參數(shù)時(shí)的注意事項(xiàng)：溫度的影響、參數(shù)的分散性特殊二極管：穩(wěn)壓二極管第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性正常情況下，工作于反向擊穿區(qū)。反向電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，端電壓變化很小，從而具有穩(wěn)壓作用反向擊穿電壓最小允許電流最大允許電流動(dòng)態(tài)電阻：穩(wěn)壓管在使用時(shí)應(yīng)串接限流電阻以保證反向電流值在合適范圍內(nèi)特殊二極管：其它類(lèi)型第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性變?nèi)荻O管：在高頻電路中應(yīng)用較多肖特基二極管：內(nèi)部為金屬半導(dǎo)體結(jié)，也具有單向?qū)щ娦怨ぷ魉俣瓤煺驅(qū)妷狠^低，反向擊穿電壓較低體電阻較小光電子器件(一)第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性原理：半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)發(fā)光二極管：將電能轉(zhuǎn)換為光能的器件光敏(電)二極管：將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件光電耦合器：可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光傳輸也可在兩者之間使用光纖連接光電子器件(二)第二節(jié)：半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性激光二極管：效率高，產(chǎn)生的是準(zhǔn)直單色光束二極管的等效電阻：靜態(tài)電阻第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路由二極管、線(xiàn)性元件和獨(dú)立電源構(gòu)成的電路稱(chēng)為二極管電路，屬于非線(xiàn)性電路當(dāng)電路中只有直流電源、沒(méi)有信號(hào)源時(shí)，二極管對(duì)外呈現(xiàn)的直流電阻稱(chēng)為靜態(tài)電阻當(dāng)管子的工作電流和電壓都確定后就在特性曲線(xiàn)上確定了靜態(tài)(直流)工作點(diǎn)Q二極管的等效電阻：動(dòng)態(tài)電阻第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路動(dòng)態(tài)電阻：微變電阻或交流電阻。表示小信號(hào)工作情況下，交流電流與交流電壓的變化關(guān)系溫度的電壓當(dāng)量工作點(diǎn)電流例題假設(shè)用萬(wàn)用表的R×10檔測(cè)得某二極管的正向電阻為200ohm，若改用R×100檔測(cè)同一個(gè)二極管，則測(cè)得的結(jié)果將比200ohm大還是小，還是正好相等，為什么?第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路模型的基本概念能夠近似表征器件特性的圖表、曲線(xiàn)、函數(shù)表達(dá)式，或者由基本電路元件構(gòu)成的電路都可以稱(chēng)為器件的模型第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表征器件特性的模型稱(chēng)為數(shù)學(xué)模型；用基本電路元件（如電阻、電容、電感）以及獨(dú)立電源和受控源構(gòu)成的模型，稱(chēng)為器件的網(wǎng)絡(luò)模型器件模型的精度越高，模型的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，要求的模型參數(shù)也越多，分析電路時(shí)計(jì)算量就越大二極管的模型第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路數(shù)學(xué)模型理想化模型恒壓降模型分段線(xiàn)性模型交流小信號(hào)模型采用模型法分析二極管應(yīng)用電路第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路根據(jù)電路的具體情況選擇合適的二極管模型，從而把非線(xiàn)性電路轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性電路并采用線(xiàn)性電路的分析方法進(jìn)行分析計(jì)算對(duì)于直流電路和大信號(hào)工作電路，通常采用理想模型或者恒壓降模型進(jìn)行分析對(duì)于既有直流電源又有小信號(hào)源的電路，一般首先利用恒壓降模型進(jìn)行靜態(tài)分析，估算電路的Q點(diǎn)；然后根據(jù)Q點(diǎn)計(jì)算出交流電阻；再用小信號(hào)模型法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，求出小信號(hào)作用下的交流電壓、電流；最后，將交流量與靜態(tài)值相疊加，得到完整的結(jié)果例題第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路下圖中，，二極管導(dǎo)通電壓Vth=0.7V，信號(hào)電壓，求輸出電壓的值并畫(huà)出其波形二極管模擬電路：整流電路(一)第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路利用電子器件的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程稱(chēng)為整流最簡(jiǎn)單的半波整流電路及其工作波形可用濾波器濾除輸出電壓的交流成分，獲得直流電壓二極管模擬電路：整流電路(二)第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路全波整流電路及其工作波形二極管模擬電路：限幅電路(一)第三節(jié)：半導(dǎo)體二極管電路按照規(guī)定的范圍，將輸入信號(hào)波形的一部分傳送到輸出端、而將其余部分消去的過(guò)程稱(chēng)為限幅一般利用器件的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)限幅限幅器應(yīng)能夠鑒別信號(hào)的幅度，