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文档简介
1、第一章第一章 晶体二极管晶体二极管(Diode)内容:内容:1、简单讨论半导体的特性(熟悉常用术语)、简单讨论半导体的特性(熟悉常用术语)2、二极管特性、二极管特性模型分析法(分段线性模型)模型分析法(分段线性模型)应用电路应用电路整流整流稳压稳压限幅限幅1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识硅(硅(Si) 锗(锗(Ge) 砷化镓(砷化镓(GaAs)简化模型硅和锗的原子结构模型硅和锗的原子结构模型4444共价键共价键中的两个电子A(a)(b)价电子价电子 硅和锗共价键结构原子晶阵四面体结构一 本征半导体(Intrinsic Semiconductors)完全纯净,结构完整的半导体晶体。T
2、=0K(273),本征半导体中没有可移动的带电粒子(载(载流子)流子),不能导电,相当于绝缘体。1、本征激发 T(或光照)价电子获得能量挣脱共价键束缚自由电子共价键中留下空位(空穴)空穴 带正电能移动(价电子填补空位的运动) 载流子本征激发产生两种载流子 (自由)电子空穴 特征特征:两种载流子成对出现,数目相等。复合复合:本征激发逆过程(电子空穴相遇释放能量成对消失)2、热平衡载流子浓度niT一定时,本征激发和复合达到动态平衡,此时载流子浓度ni是一定的。 ni=p0 =n0 p0 热平衡空穴浓度 n0 热平衡电子浓度 ni是温度的函数。Tni 室温(T=300K)时,硅的 ni1.510 1
3、0cm -3, 锗的 ni2.410 13cm -3 , 硅的原子密度为4.961022 cm -3 , ni仅占原子密度三万亿分之一。问题:本征半导体导电能力很低。二、杂质半导体(Doped Semiconductor) 掺入一定量的杂质元素,导电能力显著增加。1、N型半导体掺入五价元素(磷),形成多电子、少空穴的杂质半导体。多数载流子(多子):电子 少数载流子(少子):空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0Nd(Ndni) 施主杂质(Donor)二、杂质半导体(Doped Semiconductor) 掺入一定量的杂质元素,导电能力显著增加。1、N型半导体掺入五价元素(磷),形成多电子、少空
4、穴的杂质半导体。多数载流子(多子):电子 少数载流子(少子):空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0Nd(Ndni) 施主杂质(Donor)2、P型半导体掺入三价元素(硼),形成多空穴、少电子多空穴、少电子的杂质半导体。 多数载流子(多子):空穴 少数载流子(少子):电子受主杂质(Acceptor)p0=Na+n0Na(Nani)结论:多子的浓度由杂质浓度决定;少子的浓度与温度有关;半导体器件温度特性差的根半导体器件温度特性差的根源源2、P型半导体掺入三价元素(硼),形成多空穴、少电子多空穴、少电子的杂质半导体。 多数载流子(多子):空穴 少数载流子(少子):电子受主杂质(Acceptor)p0
5、=Na+n0Na(Nani)结论:多子的浓度由杂质浓度决定;少子的浓度与温度有关;半导体器件温度特性差的根半导体器件温度特性差的根源源三、漂移和扩散(两种导电机理)三、漂移和扩散(两种导电机理)1、漂移运动:载流子在电场的作用下的定向运动。由此产生的电流漂移电流(Drift Current)2、扩散运动:由于载流子浓度分布不均匀而产生的运动。相应产生的电流扩散电流(Diffusion Current)小结:小结:关键词:载流子目标:增加载流子(增加导电能力)主线:本征半导体 杂质半导体P型:多空穴p0NaN型:多电子n0Ndni=p0 =n01.2 PN结(半导体器件最基本单元)结(半导体器件
6、最基本单元)一、PN结形成 PN结的形成(a)初始状态; (b)平衡状态; (c)电位分布 一边是P型半导体,一边是N型半导体,交界面交界面处形成的特殊结构PN结载流子浓度差很大多子扩散运动(ID)交界面处形成空间电荷区(PN结)内电场阻止多子扩散运动,少子产生漂移运动(IT方向与ID相反)达到动态平衡(ID = IT)总电流为零PN结宽度一定 内建电位差VB2lnidaTBnNNVV qkTVT热电压热电压 室温mVVT26硅 VB=0.50.7V 锗VB 0.20.3VTVB(负温度系数) -2.5mV/二、二、PN结的伏安特性结的伏安特性PN结在不同的运用状态下表现出的性能1、正向特性(
7、正向偏置)、正向特性(正向偏置)外电压与内电场方向相反PN结电位差PN结宽度总电场破坏原来的平衡扩散加剧,漂移减弱形成较大的正向电流2、反向特性(反向偏置)、反向特性(反向偏置)外电压与内电场方向相同PN结电位差PN结宽度总电场破坏原来的平衡阻止扩散,加剧漂移形成非常小小的反向电流(不计)IS:反向饱和电流,几乎与外加电压大小无关与外加电压大小无关硅 IS(10 -910 -16)A锗 IS(10 -6 10 -8)A IS是温度敏感的参数 T IS PN反向运用3、伏安特性、伏安特性根据理论分析,PN结的电流与端电压存在如下关系:) 1(TVVSeII正偏且 (或V100mV)上式简化为:T
8、VV TVVSeII 反偏且 时,TVV SIIPN结的伏安特性结的伏安特性工程上定义:导通电压, 用VD(on)表示,认为V VD(on)时,PN结正向导通,电流 I 有明显数值,而V6V时为雪崩击穿; V(BR) VZ。R为限流电阻,RL为负载。 三、限幅电路三、限幅电路 限幅电路是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路。限幅电路的传输特性如图。IHILVV下门限(Lower Threshold)上门限(Upper Threshold)IOIHIILAvvVvVminOOILIVvVvmaxOOIHIVvVv1、利用二极管的正向导通特性实现限幅、利用二极管的正向导通特性实现限幅 当vIV+VD(on)=2.7V时,D导通,vo=2.7V,即将vO的最大电压限制在2.7V上;当vI 2.7V时,D截止,二极管支路开路, vo = vI。图(b)画出了输入正弦波时,该电路的输出波形。可见,上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。 上限幅电路2、利用二极管反向击穿特性实现限
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