第2章#电子技术基础—模拟部分PPT

1、 第二章第二章 半导体二极管半导体二极管2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.2 2.2 半导体二极管半导体二极管2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+

2、4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照

3、射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合

4、同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡，此时电子到动态平衡，此时电子空穴对的浓度一定。空穴对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电

5、性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子施主原子施主原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半

6、导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空位空位硼原子硼原子受主原子受主原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体内粒子分布示意图杂质半导体内粒子分布示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关 敏感敏感多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的

7、扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽区耗尽区三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 少子漂移少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层变窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层变窄，E多子扩散多子扩散 失去多子，耗尽层变宽，失去多子，耗尽层变宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势

8、垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外

9、电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR趋于恒定，趋于恒定，基本上与外加反压的大小基本上与外加反压的大小无关无关，所以称为所以称为反向饱和反向饱和电流电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的

10、反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。3. PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆) 1(eTSVvDDIi 根据理论分析：根据理论分析：vD 为为PN结两端的电压降结两端的电压降iD

11、 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流VT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有VT=26 mV。当当 vD0 且且 vDVT 时时1eTVvDTeSVvDDIi 当当 vD|VT |时时0eTVvDSIiD4. PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结电击穿后，电流很大，电压很高，结电击穿后，电流很大，电压很高，PN结上产生的功耗结上产生的功耗很大，如不能及时散热，将导致结温快速

12、升高，最终会使很大，如不能及时散热，将导致结温快速升高，最终会使PN结烧毁。此击穿称为热击穿，为不可逆击穿。结烧毁。此击穿称为热击穿，为不可逆击穿。 PN结两端的反向电压增大到一定数值，反向电流突然增加，结两端的反向电压增大到一定数值，反向电流突然增加，此现象称为此现象称为PN结的反向击穿（电击穿）。电击穿为可逆击穿。结的反向击穿（电击穿）。电击穿为可逆击穿。反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿4. PN结的反向击穿结的反向击穿 电击穿存在两类机理：雪崩击穿和齐纳击穿。电击穿存在两类机理：雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：雪崩击穿：空间电荷区的电子和空穴，在不断增加的反向空间电荷区的电子和空穴

13、，在不断增加的反向电压作用下，获得更大的能量，通过与晶体原子碰撞，足电压作用下，获得更大的能量，通过与晶体原子碰撞，足以使其共价键中的电子激发形成电子以使其共价键中的电子激发形成电子- -空穴对，新产生的空穴对，新产生的电子空穴对又发生新的碰撞，从而载流子如雪崩般急剧增电子空穴对又发生新的碰撞，从而载流子如雪崩般急剧增多，促使反向电流突然升高。多，促使反向电流突然升高。齐纳击穿：齐纳击穿：当当PNPN结加以较高的反向电压时，空间电荷区存结加以较高的反向电压时，空间电荷区存在一个强电场，可破坏共价键，使得束缚电子分离出来形在一个强电场，可破坏共价键，使得束缚电子分离出来形成电子空穴对，从而反向电

14、流增大。（出现在杂质浓度非成电子空穴对，从而反向电流增大。（出现在杂质浓度非常高的常高的PNPN结中，空间电荷区电场强度高）结中，空间电荷区电场强度高） 产生产生PN结电击穿的原因：强电场作用下的电子空穴数目结电击穿的原因：强电场作用下的电子空穴数目的剧增。的剧增。5. PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图当当PN结处于正向偏置时，结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子扩散运动使多数载流子穿过穿过PN结，在对方区域结，在对方区域PN结附近有高于正常情结附近有高于正常情况时的电荷累积。离结况时的电荷累积。离结越远，由于空穴与电子越远，由于空

15、穴与电子的复合，浓度将随之减的复合，浓度将随之减小。存储电荷量的大小，小。存储电荷量的大小，取决于取决于PN结上所加正向结上所加正向电压值的大小。这就相电压值的大小。这就相当于电容的充放电过程当于电容的充放电过程。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL5. PN结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容CB当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即之改变，即PNPN结中存储的空间电荷量要随之变化，结中存储的空间电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。就像电容充

16、放电一样。空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN极间电容（结电容）极间电容（结电容）电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来2.2 二极管二极管 2.2.1 二极管的结构二极管的结构 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.2.1 二极管的结构二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极

17、管的结构示意图二极管的结构示意图 PN PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导

18、通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V 2.2.2 二极管的二极管的V-I 特性特性)1e (/SDD TVIiv 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压U UBRBR (3) (3) 反向电流反向电流I IR R在室温下，在规定

19、的反向电压下的反向电流值。硅二极管在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安的反向电流一般在纳安(nA(nA) )级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安( ( A)A)级。级。二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压U UBRBR。 (4) (4) 极间电容极间电容 势垒电容势垒电容C CB B+ +扩散电容扩散电容C CD D半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件

20、的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。2.3 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 2.3.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 2.3.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2.3.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非

21、线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。例例 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电和电阻阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为- -1/R的直线，称为的

22、直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 2.3.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 2.3.2 二极管

23、电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 Vth 2.3.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 时（时

24、（VmVT 。 (a)V-I特性特性 (b)电路模型电路模型 2.3.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vO的波形的波形二极管采用理想模型二极管采用理想模型2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ） 当当VDD=10V 时，时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模

25、型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV当当VDD=1V 时，时， （省略）（省略）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 2 2模

26、型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值？的电压值？解：解： 先断开二极管先断开二极管D，以，以O为基准为基准电位，即电位，即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为- -6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为- -12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零（采用理想模型），即的压降等于零（采用理想模型），即A点的电位点的电位就是就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为- -6V。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举

27、例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。二极管两端电压二极管两端电压v vD D? ?)(sin0006. 07 . 0VtvVvdDD2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) ) 2.4.2 变容二极管变容二极管 2.4.3 肖特基二极管肖特基二极管 2.4.4 光电子器件光电子器件2.4.1 齐纳齐纳二极管二极管1. 符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。工作在反向电击穿