半导体材料及二极管.ppt

第1章 半导体材料及二极管,教学内容和要求,了解半导体基本特性；,了解PN结导电特性；,掌握二极管的特性及模型；,掌握二极管的应用；,了解PN结的电容效应及应用。,1、本征半导体,半导体材料硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）,纯净（7N）且具有完整晶格结构的半导体称为本征半导体。,一、半导体基本特性,硅、锗的面心立方体套和晶格结构按立方体组成晶体点阵，任何一个原子都处在一个立方体的中心，相邻的四个原子则位于立方体的四个顶点。,硅、锗晶体形成共价键结构:,价电子、束缚电子,+4表示除去价电子后的原子,在一定的温度下，本征半导体内最重要的物理现象是本征激发。,空穴,自由电子,本征激发产生两种载流子（能够导电的电荷）自由电子、空穴；,两种载流子导电的差异在外电场作用下，自由电子能在晶格中自由运动，是真正的载流子；而空穴导电的本质是价电子依次填补晶格中的空位，价电子只在共价键间运动，宏观上我们将其看成空位的定向运动，空穴是一种等效载流子。,空穴的定向运动,自由电子的定向运动,载流子的复合两种载流子在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失。,在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡。,平衡状态下单位体积内的自由电子（或空穴）数称为本征浓度，用ni表示。,2、杂质半导体,在本征半导体中渗入微量5价元素（如磷）后形成N型杂质半导体，简称N型半导体。,施主电离在很低温度下， 5价元素就会有一个不受共价键束缚的价电子成为自由电子。,价电子、束缚电子,自由电子,缺少一个价电子成为不能移动的带+q的正离子,虽然由施主“提供”了自由电子，但N型半导体仍呈电中性。,N型半导体在一定温度下既有施主电离产生的自由电子，又有本征激发产生的自由电子和空穴；因此，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,施主电离产生自由电子和正粒子，不会产生空穴；,在本征半导体中渗入微量3价元素（如硼）后形成P型杂质半导体，简称P型半导体。,受主电离：在很低温度下， 3价元素的空位就会由价电子填补，从而形成空穴。,增加一个价电子成为不能移动的带 -q的负离子,价电子、束缚电子,空穴,虽然由受主“接受”价电子形成了空穴，但P型半导体仍呈电中性。,受主电离产生空穴和负粒子，不会产生自由电子。,P型半导体在一定温度下既有受主电离产生的空穴，又有本征激发产生的自由电子和空穴；因此，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,平衡状态下多子浓度与少子浓度的乘积等于同一温度时本征浓度的平方（n0p0=ni2）。,它说明：掺杂使多子浓度提高的同时使少子浓度降低；因此，N型半导体的多子浓度n0 本征浓度ni 少子浓度p0；P型半导体的多子浓度p0 本征浓度ni 少子浓度n0 。,杂质原子数的密度与半导体原子数的密度相比尽管很小，但仍然远大于常温时的本征浓度，且常温下杂质电离全部完成；因此，常温下多子浓度基本等于杂质密度，远大于本征浓度，并基本与温度无关。,少子浓度是温度的函数。,在相同掺杂条件下，硅的少子浓度远小于锗的少子浓度。,3、半导体中的漂移电流与扩散电流,漂移电流在外电场作用下，载流子作宏观定向运动所形成的电流。,空穴沿电场力方向漂移，自由电子逆电场力方向漂移，虽然两者漂移方向相反，但形成的漂移电流方向却相同，总的漂移电流为两者之和；,漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比；,杂质半导体的多子浓度远大于少子浓度，因而多子漂移电流也远大于少子漂移电流。,扩散电流载流子因浓度差作宏观定向运动所形成的电流。,两种载流子均沿浓度梯度方向扩散，虽然两者扩散方向相同，但形成的扩散电流方向却相反，总的扩散电流为两者之差；,扩散电流与载流子的浓度梯度成正比。,1、PN结的形成及特点,用某种工艺将本征半导体掺杂为两个区：一个区为P型半导体，另一个区为N型半导体。,二、 PN结导电特性,在两者的界面附近会形成一个特殊的薄层PN结。,PN结的形成：,界面两侧的多子向对方扩散越界后相当于对方的少子被复合；,从而在P区一侧留下受主负离子、在N区一侧留下施主正离子，形成一个电偶层即由N区指向P区的内建电场进一步扩散进入内建电场的多子被漂移回来，最终达到扩散与漂移的动态平衡。,内建电场,PN结,P型半导体,N型半导体,PN结的特点：,空间电荷区结内形成内建电场（非电中性），内建电压的典型值为0.7V（Si）或0.35V（Ge）；,耗尽层结内的载流子在PN结形成过程中已经耗尽；,阻挡层（势垒区）阻止两侧多子越结扩散。,若掺杂密度不同，则形成不对称PN结，空间电荷区向低掺杂区延伸。,2、PN结的单向导电特性,偏置在半导体器件上所加的直流电压（偏压）和电流（偏流）。,由于PN结是耗尽层，相对于结外的P区和N区而言是高阻区，偏压几乎完全作用在结层上。,正向偏压的PN结：,正偏电压削弱结电场，动态平衡被打破，（由于外电路的强制行为，建立原有动态平衡的趋势被遏止！） PN结变薄，有利于扩散，从而使多子扩散大于漂移，在外电路形成正向电流。（内部存在两种载流子运动而外电路只有电子运动！）,对外电路而言，相当于PN结导通。,外电场,正向偏压,结电场被削弱,内建电场,PN结变薄,反向偏压的PN结反偏电压增强结电场， PN结变宽，多子扩散受到更强的阻挡，对外电路而言，相当于PN结截止。,显然，正偏电压越大， PN结越薄，越有利于扩散，相应外电路的正向电流也越大。,外电场,反向偏压,内建电场,结电场被增强,PN结变宽,结电场的增强有利于少子的越结漂移，从而在外电路形成反向电流；（同样，内部是两种载流子运动，外电路只有电子运动！）由于少子数量有限，即使全漂也只能形成很小的反向饱和电流，若忽略不计，仍可认为PN结是截止的。,综上， 可以得到PN结最重要的特性单向导电特性。,PN结的伏安特性由理论分析得到,式中：IS为PN结的反向饱和电流，该值很小，一般硅PN结IS的值仅pA级；VT为热电压，常温（T=300K）下一般取VT26mV。,可以验证，只有当vD的值取到0.52V以上时，硅PN结的iD值才能达到mA级；因此，即使正向偏压的PN结也存在一个导通电压VON，只有当vD大于VON时， PN结才有明显的正向电流iD 。,PN结的伏安特性曲线：,二极管的特性与PN结的特性基本相同。,1、二极管的伏安特性,形式上，二极管的伏安特性与PN结的伏安特性相同：,二极管的核心是PN结。,三、二极管的特性及模型,式中：IS为二极管的反向饱和电流，比PN结的略大一点。,二极管的单向导电特性,二极管正偏时，其伏安特性可近似为：,二极管反偏时，其伏安特性可近似为：,正偏二极管存在一个导通电压VON，小功率硅二极管导通电压的典型值VON = 0.7V，小功率锗二极管导通电压的典型值VON = 0.3V。,二极管反偏时，锗管的反向饱和电流至少比硅管大三个数量级以上。,温度增加时，二极管的反向饱和电流明显增大。,二极管的反向击穿导电特性,反向击穿现象PN结的反偏电压大到一定值时，反向电流会急剧增大。,反向击穿原因：,雪崩击穿价电子被碰撞电离，发生于低掺杂PN结；击穿电压一般在6V以上；,齐纳击穿价电子被场致激发，发生于高掺杂PN结；击穿电压一般在6V以下。,只要保证击穿时平均管耗不超过允许值，二极管的反向击穿是一种可逆的电击穿。,二极管的反向击穿特性曲线：,稳压二极管（稳压管）是一种专门工作在反向击穿状态的二极管。,2、二极管的直流电阻和交流电阻,二极管的伏安特性表明其为非线性电阻。,二极管的直流电阻一般将二极管的直流电压VD和直流电流ID称为二极管的工作点Q，将该工作点Q 处直流电压直流与电流的比值定义为直流电阻RD，即：,二极管的交流电阻将二极管工作点Q 处微变电压增量与微变电流增量的比值定义为交流电阻rd，即：,3、二极管模型,分析含二极管的电路时，由于涉及二极管伏安特性（也称为二极管方程）这样的非线性方程，工程上一般不采取直接计算的方法。,工程上常用的一种方法是图解法，又称负载线法；,例1：用图解法求图示电路的vD和iD 。,0.72,7.6,工程上常用的另一种方法是模型法用理想元件构成的等效电路来近似非线性器件。,二极管的大信号模型,理想开关模型：,恒压源模型：,折线近似模型,例1.1(p18)：用模型法求图示电路的vD 和iD 。,二极管用恒压源模型,vD= 0.7V , iD 0,二极管的小信号模型,一般情况下iD =ID+ id、vD =VD+vd，若id 、vd足够小，在工作点Q（ID、VD）附近二极管可以线性化，根据叠加原理，可以分别进行ID、VD 及id 、vd 分析。,计算ID、VD称为求工作点Q ，需画出只反映ID、VD的电路直流通路；,计算id 、vd称为交流小信号分析，需画出只反映id 、vd的电路交流通路，相应需要二极管的小信号模型。,二极管的小信号模型就是二极管在工作点Q处的交流电阻rd 。,例2：图示电路中v = 2sin(2104t ) mV ，C = 200mF，求id 。,解：画出直流通路,二极管用恒压源模型,求出工作点Q 的交流电阻,画出交流通路,二极管用小信号模型,作业(p38-39)：1.4、1.6、1.7,半波整流电路,1、整流电路,当vi (t) 0时，D导通；当vi (t) 0时，D截止；分析整流电路时二极管一般用理想开关模型。,四、二极管的应用,全波整流电路,当vi (t) 0时，D1导通、D2截止；当vi (t) 0时，D1截止、D2导通。,桥式整流电路,当vi (t) 0时，D1D3导通、D2D4截止；当vi (t) 0时，D1D3截止、D2D4导通。,实用的整流电路一般需配套滤波电路。,加入滤波电路后，D的导通时间远小于半同期。,2、限幅电路,并联型双向限幅电路,分析限幅电路时二极管可以用理想开关模型，也可以用恒压源模型。,当vi (t) V1时，D1导通、D2截止；vi (t) vi(t) -V2时，D1、D2均截止。,其传输特性曲线：,串联型双向限幅电路,假定状态分析法：,a,假定状态1D1、D2均截止：此时vo(t) =V2，va(t) =V1；由于vo(t) va(t) ，D2导通，与假定状态矛盾，故状态1不成立；,假定状态2D1导通、D2截止：此时vo(t) =V2，va(t) = vi (t) ；只有当vi (t) V2(V1) 时，状态2成立；,a,假定状态3D1截止、D2导通：此时vo(t) =va(t) = ；只有当vi (t) 时，状态3成立；,a,假定状态4D1、D2均导通：此时vo(t) =vi (t)；只有当 vi (t) V2时，状态4成立。,a,其传输特性曲线：,3、钳位电路,分析钳位电路时二极管可以用理想开关模型，也可以用恒压源模型。,4、逻辑电路,分析逻辑电路时二极管一般用恒压源模型。,假定状态分析法：,假定状态1D1、D2均截止：此时Vo=V；只有当V1、V2 V时，状态1成立；,假定状态3D1截止、D2导通：此时Vo =V2-0.7；当V2 V而V1V时，状态3成立；,假定状态2D1导通、D2截止：此时Vo =V1-0.7；当V1 V而V2V时，状态2成立；,假定状态4D1、D2均导通：此时同时有Vo =V1-0.7及Vo=V2-0.7 ；当V1=V2V时，状态4成立；虽然V1、V2V 但V1V2时，状态4不成立。,如果V1、V2只取V或V的数值记为逻辑1，则该电路为有1为1的“或”逻辑电路。,5、稳压电路,限流电阻R保证稳压管正常工作(电击穿而不是热击穿)的必备措施。,稳压管主要参数：VZ、rZ、IZMAX、IZMIN；,限流电阻R的选取：,稳压管的恒压源模型,稳压管的折线近似模型,例1.3(p27) ：图示电路中稳压管2DW3的VZ =9V，rZ=4；如果输入电压的波动VI/VI =10%，求输出电压的波动VO/VO。,解：用折线近似模型代替稳压管,实际上，正向导通的二极管也可以当作稳压管使用。,作业(p39-42)： 1.10、1.11、1.15、1.16、1.17,在频率很高时，二极管会失去单向导电特性，其原因是PN结存在电容效应。,1、PN结的势垒电容,势垒电容外加电压改变时，空间电荷区（PN结）内的电荷量随之改变所产生的电容效应。,五、PN结的电容效应及应用,正偏电压增大时，空间电荷区变窄，势垒电容增大；反偏电压增大时，空间电荷区变宽，势垒电容减小。,2、PN结的扩散电容,扩散电容外加正偏电压改变时，