电子线路非线性部分第五版课件

1、 晶体二极管晶体二极管 n结构示意图 n 典型的封装形式 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 半导体半导体：有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和 一些硫化物、氧化物等。 半导体的特点：半导体的特点： q当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 q往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能 力明显改变。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的电阻率为10-310-9 *cm。 1.1.1 本征半导体本征半导体 对于半导体中常用的硅和锗，它们原子的最外 层电子都是4个，即有4个价电子。 一、一、 本征半导体本征半导体 硅

2、或锗晶体的四个价电子分别与周围的四个原子的价 电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共 有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。 如图所示 ： 它们称为单晶，是制造半导体的基本材料。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结 构上呈单晶体形态。 本征半导体化学成分纯净的半导体。 二、二、 本征激发和复合本征激发和复合 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电 子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。自由电子 产生的同时，

3、在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子 的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴 中去，称为复合， 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定 向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导 电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外 部因素，这是半导体的一大特

4、点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 三、三、 热平衡载流子浓热平衡载流子浓 度度温度一定时，半导体中的本征激发和复合会在某一平 衡载流子浓度值上达到动态平衡。 此时热平衡载流子浓度为: kT E ATn 2 2/3 i g0 e 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。成为杂质半导体 N 型半导体：型半导体：掺入五价元素的杂质，可使晶体自由 电子浓度大大增加，也称为（电子型 半导体）。 P 型半导体：型半导体：掺入三价元素的杂质，可使晶体空穴浓 度大大增加，也称为（空穴型半导体）。 一、一、N 型半导体型半导体 在硅

5、或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷 原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这 个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由 电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离 子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。 N型半导体中的型半导体中的 自由电子浓度大自由电子浓度大 大增加，而空穴大增加，而空穴 浓度由于和自由浓度由于和自由 电子复合机会变电子复合机会变 大，浓度反而变大，浓度反而变 小。小。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓 度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空

6、穴 称为少数载流子（少子）。 二、二、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形 成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚 电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。 P型半导体中的空 穴浓度大大增加， 而自由电子浓度 由于和空穴复合 机会变大，浓度 反而变小。 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 三、多子和少子热平衡浓度三、多子和少子热平衡浓度 不论P型或N型半导体，掺杂越多，多子数目就越多， 少子数目就越少。 I.

7、当温度一定时，两种载流子的热平衡浓度值的乘积 恒等于本征载流子浓度值ni的平方 II. 半导体同时又处于电中性状态。 2 00 * i npn ddNN p n00 n0， p0分别为自由电子和空穴的浓度； Nd为施主杂质浓度 N型半导体: N型半导体: 与温度T无关 与温度T有关 T升高, ni升高, p0升高, 当p0n0时, 杂质半导体变为 类似的本征半导体. P型半导体具有相似的性质. 少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性 差的主要原因差的主要原因. d ii d N n n n p Nn 2 0 2 0 0 1.1.3 两种导电机理

8、两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 一、一、 漂移和漂移电流漂移和漂移电流 在外电场作用下，载流子将产生定向运动，其中自由电子逆电场 运动，空穴顺电场运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动，由 它产生的电流称为漂移电流。 迁移率：单位场强下的平均漂移速度，与温度、掺杂浓度等有关。 二、扩散和扩散电流二、扩散和扩散电流 如图所示，半导体中任一假想面 两侧存在浓度差，则从浓度大的 一面流向浓度小的一面的载流子 将多于从浓度小的一面流向浓度 大的一面的载流子，从而造成载 流子沿x方向的净流动。这种由浓 度差而引起的载流子的运动称为 扩散运动，并形成相应的扩散电 流。扩散电流是半导体区别于导 体的特有电

9、流。 1.2 PN 结结 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同 的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 PNPN结的产生：结的产生： 1.2.1 动态平衡下的动态平衡下的PN结结 一、阻挡层的形成一、阻挡层的形成 多子扩散和复合导致紧靠交界面两侧的区域内留下 了杂质离子，其中P侧为带负电荷的受主离子；N 侧为带正电荷的施主离子，而且两侧的正负离子电 荷量相等，形成空间电荷区，也称耗尽区、阻挡层、 势垒区。当扩散达到一定程度时，空间电荷区增宽， 当其产生的电场增大到一定数值时，多子扩散和少 子漂移达到动态平衡。 二、内建电位差二、内建电位差 达到动态平衡时，由内建电场E产生的电位差称为内建电位差

10、VB 由动态平衡条件，可求得: )/ln( 2 idaTBnNNVV Na，Nd分别为PN结两边的搀杂浓度ni为本征载流子浓度。 VT=kT/q称为热电压，室温时，VT26mV。每升高1C，VB约减 小2.5mV。 三、阻挡层宽度三、阻挡层宽度 2 1 da da Bpn0) 2 ( NN NN V q xxl 动态平衡下阻 挡层宽度为： 1.2.2 PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电 流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所 以电流大；反之是高阻性，电流小。 d a p n N N x x 阻挡层向低掺 杂一侧扩展： PN 结加上正向电压、正向偏置： P 区加

11、正电压，N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置： P区加 负电压， N 区加正电压。 一、一、PN 结正向特性结正向特性 PN结加正向偏置结加正向偏置V: 内建电场VB减小到VB-V 阻挡层宽度减小 E减小 漂移电流 IT减小, 则IDIT, 形成较大的多子扩散电流 电流的连续性电流的连续性: 外电场从P区拉出电子, 同时向N区补充电子,二 者相等,维持电流的连续. 二、二、PN 结反向特性结反向特性 外加电压使得阻挡层宽度增加，打 破动态平衡少子漂移加强，形成一 定的漂移电流. 少子漂移电流几乎与反偏电压的大 小无关, 称为反向饱和电流,记为IS. 掺杂浓度越大,少子越少, IS越

12、小,温 度越高,少子浓度越高, IS越大,同时 IS的值与PN结面积成正比. PN结加反向偏置结加反向偏置V: 内建电场VB增加到VB+V 阻挡层宽度增加 E变大 漂移电流 IT增加, 则ITID, 形成较大的少子漂移电流 电流的连续性电流的连续性: 外电场从N区拉出电子, 同时向P补充电子,二 者相等,维持电流的连续. 三、伏安特性三、伏安特性 PN结特性的指数表达：) 1e ( T S V V II 当VVT时， 当V为负值，且|V|VT时，SII即为反向饱和电流 则定义导通电压Von： 当V Von时，PN结导通， 呈低阻特性； 当VCT， 外加反向电压时： CD0， DjCC TjCC

13、 四、变容二极管四、变容二极管 PN结外加反向电压时，主要是一个由势垒电容构成的较理想的 电容器件；可制成变容二极管。 1.2.6 PN结的开关特性结的开关特性 一、理想开关特性一、理想开关特性 PN结正偏，呈现出低阻特性； PN结反偏，呈现 出高阻特性。忽略导通电压Von和反向饱和电流IS的 影响，PN结具有理想开关的特性，可以制作成开关 二极管使用。 二、二、开关特性的非理想性开关特性的非理想性 1由于二极管导通电压VD(on)的存在，只有加在二极 管两端的正偏电压大于VD(on)时，才能认为二极管作为 开关导通； 2由于二极管导通后呈电阻特性，只有在负载电阻R 远大于二极管导通电阻时，才

14、能忽略该导通电阻的影 响； 3二极管反偏时，二极管中的电流并不等于0，约为 IS，此时二极管并不能完全切断电路； 4由于PN结电容的存在，二极管开关的导通和截止 都需要一定的时间。 三、三、开关二极管参数开关二极管参数 最大正向电流 ，最大反向工作电压 ，反向击穿电压 ， 反向电流 ，零偏结电容 ，反向恢复时间 1.3 晶体二极管的分析方法晶体二极管的分析方法 1.3.1 晶体二极管模型晶体二极管模型 一、晶体二极管的数学模型一、晶体二极管的数学模型 或)1ln( S TS I I nVIrV 二、伏安特性曲线二、伏安特性曲线 ) 1e ( T S S nV IrV II 三、等效电路模型三、

15、等效电路模型 二极管的非线性主要表现在单向 导电性上，伏安特性可以用用左 图的两段折线近似表示，其中RD 称为二极管的导通电阻。在对电 路进行直流或者大信号分析时,二 极管可以用左下图的大信号电路 模型等效。 二极管大信号电路模型 1. 大信号电路模型大信号电路模型 理想二极管伏安特性和电路符号 2. 小信号电路模型小信号电路模型 rj：增量结电阻或肖特基电阻 Q T |)1e (| 1 S Q j VV V V I VV I r Q T j I V r T Q T SQ V I V II 或 1.3.2 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法 一、图解分析法一、图解分析法 )( )(

16、DDDD VVfII RIIVVVV 采用图解法求解时，上述方程组的求解过程 就是寻找上述两式所表示曲线的交点。 1. 直流分析直流分析 )( DD VfI IRVV 令VDD=0，相应的V和I都为0，方程组简化为 下图中Q点即为方程组的解： 通常将管外电路方程所描绘的直线称为晶体二极管的负载线 2. 交流分析交流分析 在(VDD VDD)的作用下，管外电路方程代表的负载线是一 组斜率为1/R、且随VDD变化而平行移动的直线。若设 VDD = Vmsint，负载线将随着t的变化而平行移动，这些 负载线和二极管伏安特性曲线的交点也呈现正弦变化，而交 点对应的电压和电流就是t取不同值时得到的二极管

17、上的响 应，即为所求。 二、二、等效电路分析法等效电路分析法 例：如图所示，两个二极管的VD(on)为0.7V, RD=100,试画 出Vo随VI变化的传输特性。 VI25V时，D1导通， D2仍然截止时: 3 I 21 DD2I 1 10*300 V25V RR VV I 3 2V25I 21DD2O V RIVV VO=VDD1时, D2导通, VO=100V, V5 .1372/ )253(OIVV 1. 直流分析直流分析 解： 2. 交流分析交流分析 例：如图所示电路，已知IQ=0.93mA, R=10k, rs=5 , VDD= sin2*100t(V), 求V。 解：将a图用小信号模型表示，如图b所示。 30)93. 0/26( Q T j I V r )mA(100*2sin1 . 0/)/(DDjstRVrrRVIDD )mV(100*2sin5 . 3)(jstrrIV 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用 1.4.1 整流与稳压电路整流与稳压电路 一、整流电路一、整流电路 半波整流电路 电源设备组成框图 输入、输出波形 二、稳压电路二、稳压电路 符号 大信号模型 小信号模型 基本稳压电路基本稳压电路 稳稳 压压 管管 限流电