ch1基本概念PN结二极管ppt课件

1、模拟电子技术模拟电子技术 第一章 半导体器件 一一. 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属普通都是导体。普通都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘半导体：另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、砷化镓体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物和一些硫化物( (如硫化镉如硫化镉) )、氧化物、氧化物( (如氧化如氧化锌锌) )等

2、。等。1.1 半导体的根本知识半导体的根本知识1.1.1 本征半导体本征半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电才干明显改动。它的导电才干明显改动。完全纯真的、不含其他杂质且具有晶体完全纯真的、不含其他杂质且具有晶体构造的半导体称为本征半导体构造的半导体称为本征半导体 二二. .本征半导体的构造特点本征半导体的构造特

3、点GeSi现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗，它们的最外层电子价电子都是四个。它们的最外层电子价电子都是四个。Si的原子序数为的原子序数为14，有，有14个电子绕个电子绕核旋转核旋转外层电子离核最远，遭到的束缚最弱，称为价电子。Si原子构造简图Ge原子序数32+4+4表示表示除去价除去价电子后电子后的原子的原子硅和锗的共价键构造硅和锗的共价键构造共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4硅和锗的每个原子与其相临的原子之间构成共价键，硅和锗的每个原子与其相临的原子之间构成共价键，共用一对价电子。构成共价键后，每个原子的最外共用一对价电子。

4、构成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定构造。共价键有很强的结层电子是八个，构成稳定构造。共价键有很强的结合力，使原子规那么陈列，构成晶体。合力，使原子规那么陈列，构成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自在电子，因此本征半导体中的自在电子很少，所以在电子，因此本征半导体中的自在电子很少，所以本征半导体的导电才干很弱。本征半导体的导电才干很弱。三三. .本征半导体的载流子和导电机理本征半导体的载流子和导电机理在绝对在绝对0 0度度T=0 KT

5、=0 K和没有外界激发和没有外界激发( (如光如光照照) )时时, ,价电子完全被共价键束缚着，本征半导价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运载电荷的粒子即载流子，体中没有可以运载电荷的粒子即载流子，它的导电才干为它的导电才干为0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使极少数的价电子在常温下，由于热激发，使极少数的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自在获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自在电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.1.载流子载流子: :自在电子和空穴自在电子和空穴+4+4+4+4自在电子自

6、在电子空穴空穴束缚电子束缚电子2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的束空穴吸引附近的束缚电子来填补，这缚电子来填补，这样的结果相当于空样的结果相当于空穴的迁移，而空穴穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电的迁移相当于正电荷的挪动，因此可荷的挪动，因此可以以为空穴是带正以以为空穴是带正电的载流子。电的载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自在电子和空穴。自在电子和空穴。本征半导体的导电才干取决于载流子的浓度：温度越高本征半导体的导电才干取决于载流子的浓度：温度越高那么载流子浓度越高，因此本征半导体的导电才干越强。那么

7、载流子浓度越高，因此本征半导体的导电才干越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部要素，这是半温度是影响半导体性能的一个重要的外部要素，这是半导体的一大特点。导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：自在电子挪动产生本征半导体中电流由两部分组成：自在电子挪动产生的电流；空穴挪动产生的电流。的电流；空穴挪动产生的电流。四.本征半导体中载流子的浓度本征激发本征激发 复合复合 动态平衡动态平衡在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自在电子与空穴的浓度相等。且自在电子与空穴的浓度相等。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半

8、导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导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。其缘由是掺杂半导体的某体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂半导体的某种载流子浓度大大添加。种载流子浓度大大添加。P Positive，正型半导体：，正型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体，也称空穴半导体。空穴浓度大大添加的杂质半导体，也称空穴半导体。N Negative，负型半导体：，负型半导体：自在电子浓度大大添加的杂质半导体，也称电子半导体。自在电子浓度大大添加的杂质半导体，也称电子半导体。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑，晶体中的某些半导体

9、原子被杂质或锑，晶体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构成共价键，必定四个与相邻的半导体原子构成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自在电子，这样磷原子就容易被激发而成为自在电子，这样磷原子就成了不能挪动的带正电的离子。每个磷原子成了不能挪动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。给出一个电子，称为施主原子。一、一、N 型半导体型半导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子

10、是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数载在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数载流子多子，空穴称为少数载流子少子。流子多子，空穴称为少数载流子少子。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼或在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼或铟，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的铟，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有

11、三个价电子，与相邻的半导体原子构成共价键最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子构成共价键时，产生一个空穴。时，产生一个空穴。这个空穴能够吸引束缚电子这个空穴能够吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不来填补，使得硼原子成为不能挪动的带负电的离子。由能挪动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称于硼原子接受电子，所以称为受主原子。为受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。二、二、P 型半导体型半导体三、杂质半导体的表示表示法三、杂质半导体的表示表示法+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的挪动都能构成电流。杂质型半

12、导体多子和少子的挪动都能构成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似以为多子与杂质浓度相等。近似以为多子与杂质浓度相等。P 型半导体型半导体1.1.3 PN结结二极管器件的基石二极管器件的基石一一. PN 结的构成结的构成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的分散，在它们的型半导体，经过载流子的分散，在它们的交界面处就构成了交界面处就构成了PN PN 结。结。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动分散的结果是使空

13、间分散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。间电荷区越宽。内电场内电场(其方向即正电荷的受力方向其方向即正电荷的受力方向)会阻止分散运动，同时内电场会阻止分散运动，同时内电场越强那么使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。越强那么使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E当分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡，相当于两当分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。个区之间没有电荷

14、运动，空间电荷区的厚度固定不变。PNPN结的构成结的构成( (动画动画 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。二二. PN结的单导游电性结的单导游电性P N结导通时的结压降结导通时的结压降0.7伏，因此会在它所在的回路中串联一个伏，因此会在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止电阻，以限制回路的电流，防止P N结因正向电流过大而损坏。结因正向电流过大而损坏。(1-22

15、)+RE1.PN 1.PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被减弱，多内电场被减弱，多子的分散加强可以子的分散加强可以构成较大的分散电构成较大的分散电流。流。2.PN 2.PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被加强，多子内电场被加强，多子的分散受抑制。少子的分散受抑制。少子漂移加强，但少子数漂移加强，但少子数量有限，只能构成较量有限，只能构成较小的反向电流。小的反向电流。RE三、三、PN结的电流方程结电压结的电流方程结电压u与电流与电流i关系关系)()(11eeUuukTqIIiTSSqkTU TmVUkTcto26300

16、27T，即常温q为电子的电量；为电子的电量；k为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；为热力学温度；IS 为反向饱和电流。为反向饱和电流。 温度的电压当量温度的电压当量四四. PN结的伏安特性结的伏安特性 由由PNPN结的电流方程可知结的电流方程可知反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿(高掺杂高掺杂)：耗尽层窄，反向击穿耗尽层窄，反向击穿电压较小电压较小雪崩击穿雪崩击穿(低掺杂低掺杂)：耗尽层宽，反向击穿耗尽层宽，反向击穿电压较大电压较大0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死死区区VthVBR正向特性正向

17、特性反向击穿电压反向击穿电压反向特性反向特性TSUueIi/正向死区电压Vth指结正向电流由几乎为零转而开场明显增大那一点的结电压，此时正向电流仍不大，还不能满足电路运用。S-Ii 反向TUu TUu 五五.PN结的电容效应结的电容效应 (1) 势垒电容势垒电容Cb (barrier capacity)是由是由 PN 结的空间电荷区变化构成的。结的空间电荷区变化构成的。(a) PN (a) PN 结加正向电压结加正向电压b) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV当当PN结上的电压发生变化时，结上的电压发生变化时，PN 结中储存的

18、电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。 当PN结加反向电压时， Cb明显随u的变化而变化趋势较缓和，因此利用这一特性制成各种变容二极管。由于由于 PN 结结 宽度宽度 随外加电随外加电压压 u 而变化，因此势垒电容而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其不是一个常数。其 Cb = f (u) 曲线如图示。曲线如图示。OuCb空间电荷区的正负离子数目发生变化，好像电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，好像电容的放电和充电过程。放电和充电过程。(2)分散电容分散电容Cd(diffused capacity)空穴浓度电子浓度PN结正向偏置时

19、：结正向偏置时：N区的电子向区的电子向P区分散，在区分散，在P区构成一定的浓度区构成一定的浓度分布，在分布，在P区存贮了一定数量的电子，同样在区存贮了一定数量的电子，同样在N区也存贮了一定数区也存贮了一定数量的空穴。当正向电压加大时，分散加强，量的空穴。当正向电压加大时，分散加强，P区的电子数和区的电子数和N区的区的空穴数将增多，相当于电容器的充电；当正向电压减小时，情况空穴数将增多，相当于电容器的充电；当正向电压减小时，情况正相反。正相反。PN结外两个区域构成电荷堆积变化结外两个区域构成电荷堆积变化 分散电容效应。分散电容效应。反向偏置时，分散运动被减弱，分散电容的作用可忽略。反向偏置时，分

20、散运动被减弱，分散电容的作用可忽略。总之，总之，PNPN结呈现出两种电容，它的总电容结呈现出两种电容，它的总电容CjCj相当相当于两者的并联，即于两者的并联，即CjCjCb + CdCb + Cd。正向偏置时，分散。正向偏置时，分散电容远大于势垒电容电容远大于势垒电容 CjCd CjCd ；而反向偏置时，分散；而反向偏置时，分散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，电容可以忽略，势垒电容起主要作用，CjCb CjCb 。 由于由于CbCb与与CdCd普通都很小普通都很小( (结面积小的为结面积小的为1pF 1pF 左右左右, ,结面结面积大的为几十至几百皮法积大的为几十至几百皮法),),对于低频信

21、号呈现出很大对于低频信号呈现出很大的容抗。的容抗。CjCej112对于电容，容抗为对于电容，容抗为由于半导体管中存在由于半导体管中存在PN结电容在电路中以并联方式结电容在电路中以并联方式存在，对信号构成了低通电路，即频率足够低的信存在，对信号构成了低通电路，即频率足够低的信号对电路几乎不产生影响。因此，只需在信号频率较号对电路几乎不产生影响。因此，只需在信号频率较高时才思索结电容的作用。高时才思索结电容的作用。(1-30)1.2.11.2.1常见根本构造常见根本构造PN 结加上管壳和引线，就成结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。为半导体二极管。1.2 半导体二极管半导体二极管阴极阴极N N阳

22、极阳极P P1 点接触型二极管点接触型二极管2 面接触型二极管面接触型二极管3 平面型二极管平面型二极管(1-31)死区电压是它的开启电压Uon，也就是说，在这个电压以下时，即使是正向的，它也不导通。ui导通压降导通压降: :硅管硅管0.7V,0.7V,锗管锗管0.2V0.2V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)死区电压：死区电压：硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管0.1V0.1V。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性正导游通压降是在管子正导游通的时候，二极管两端的电压，也就是它引起的压降，此时正向电流变化时结压降根本不变。对比PN结：正向情况(思索体电阻、引线电阻)、反向情况(思索

23、外表漏电流)制造PN结假设在外表上沾上水汽或金属离子，引起离子导电(电流从N区电极沿半导体外表直接到P区电极)，往往成为反向电流的主要部分。 (1-32)实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移正导游通压降及开启电压减小，反向特性将下移反正导游通压降及开启电压减小，反向特性将下移反向电流增大。向电流增大。二极管的特性对温度很敏感。二极管的特性对温度很敏感。室温附近，温度每升高室温附近，温度每升高1，正导游通压降减小，正导游通压降减小22.5 m V；温度每升高；温度每升高10，反，反向电流约增大一倍。向电流约增大一倍。(1-33)1.

24、 1. 最大整流电流最大整流电流 IF IF二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR)和最高反向任务电压和最高反向任务电压URU(BR)是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管单导游电性被破坏，甚至过热而烧坏。流剧增，二极管单导游电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给的最高反向任务电压手册上给的最高反向任务电压UR普通是普通是U(BR)的一半。的一半。1.2.3 二极管主要参数二极管主要参数(1-34)3. 反向电流反向电流 IR指二极管加反

25、向任务电压未击穿时的反向电流。指二极管加反向任务电压未击穿时的反向电流。反向电流大，阐明管子的单导游电性差，因此反向反向电流大，阐明管子的单导游电性差，因此反向电流越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的反电流越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的运用是以上均是二极管的直流参数，二极管的运用是主要利用它的单导游电性，主要运用于整流、限幅、主要利用它的单导游电性，主要运用于整流、限幅、维护等等。维护等等。(1-35)4.4.最高任务频率最高任务频率fMfM交流参数

26、交流参数 是二极管任务的上限频率。超越此值时，由于二极管结电容的存在，二极管将改动特性尤其是单导游通特性实践运用中，应根据管子所用的场所，按其所接实践运用中，应根据管子所用的场所，按其所接受的最高反向电压、最大正向平均电流、任务频受的最高反向电压、最大正向平均电流、任务频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。(1-36)1.1.理想模型理想模型大信号形状采用大信号形状采用) )等效电路如下：一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1.2.4 二极管等效电路由理想模型特性图可知，加正向偏压时，二极管压降为0。反向偏压时电阻为无穷大。相当于有一理想开关。常用于整流电路中理想二极管10siniutiuou习题习题1.2 电路如图电路如图P1.2 所示，知所示，知(V)，试画出与的波形。设二极管导通电压可忽略不计。图图P1.2解图解图P1.2 硅二极管：死区电压硅二极管：死区电压=0 .5 V，正向压降，正向压降0.7 V理想二极管：死区电压理想二极管：死