电子技术基础半导体知识详解课件

1、2 半导体二极管及应用电路第二章 半导体二极管及应用电路2.1 半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性2.3 半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管本章内容本章意义： 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分教学内容： 本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半导体器件的核心环节-PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性于应用也给予了简要的介绍。教学要求： 本章需要重点掌握二极管模型及其电路分析，特别要注意器件模型的使用范围和条件。对于半导体器件

2、，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。2.1.1 半导体材料 其导电能力介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有：（1）元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；（2）化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。（3)掺杂或制成其它化合物半导体的材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）、锑（Sb）等半导体具有某些特殊性质：如压敏、热敏及掺杂特性(导电能力改变)2.1 半导体基础知识第二章 半导体二极管及应用电路补充： 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小,

3、因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。 价电子：最外层原子轨道上具有的电子。半导体材料中的价电子数都为4。物质的化学性质是由价电子决定的，半导体的导电性质也与价电子有关。半导体具有晶体结构，原子

4、形成有序的排列，邻近原子之间由共价键联结。硅和锗是应用最多的半导体材料。2.1.2 半导体的共价键结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第二章 半导体二极管及应用电路2.1.3 本征半导体，空穴及其导电作用1 .本征半导体的结构特点第二章 半导体二极管及应用电路本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。重要物理特性：电导率 电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目有关。电荷载流子的浓度越高，其电导率愈高。在硅和锗晶体

5、中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：第二章 半导体二极管及应用电路硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第二章 半导体二极管及应用电路 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第二章 半导体二极管及应用电路 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由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导

6、体的导电能力很弱。 本征激发：室温下，价电子获得足够的随机热振动能量而摆脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为本征激发。2.本征半导体的导电原理在绝对零度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。（1）载流子、自由电子和空穴第二章 半导体二极管及应用电路 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第二章 半导体二极管及应用电路（2）本征半导体的

7、导电原理 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。可以用空穴移动产生的电流来代表束缚电子移动产生的电流。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。+4+4+4+4第二章 半导体二极管及应用电路温度越高，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点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。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。第二章 半导体二极管及应用电路2.1.4 杂质半导体

8、 杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为电子（N）型半导体和空穴（P）型半导体。第二章 半导体二极管及应用电路 1.P型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族元素称为受主杂质，简称受主（能接受自由电子）。下图所示（图2-2） P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 第二章 半导体二极管及应用电路 2.N型半导体 在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。少量掺杂，平衡状态下：ni2 =n0p0 其

9、中，ni为本征浓度，n0为自由电子浓度，p0为空穴浓度。温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小于杂质电离产生的多子。在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。半导体工作机理：杂质导电特性。对半导体掺杂是提高半导体导电能力的最有效的方法。Si半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，Si半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度Si半导体才会失去杂质导电特性。3.杂质半导体的载流子浓度：第二章 半导体二极管及应用电路 本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质 本节中的有关概念2.2 PN结的形成及特性PN结：将P型

10、和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体，半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的扩散。电场E产生的两区少子越结的漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。 扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。2.2.1 PN结的形成第二章 半导体二极管及应用电路 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 物理过程: 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动

11、态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面。离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。第二章 半导体二极管及应用电路PN结形成过程分解：第二章 半导体二极管及应用电路2.2.2 PN结的单向导电特性 无外接电压的PN结开路PN结，平衡状态PN结 PN结外加电压时外电路产生电流1.正向偏置（简称正偏） PN结 PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负 电位）正偏正向电流第二章 半导体二极管及应用电路PN结加正向电压的情形第二章 半导体二极管及应用电路 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内

12、电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。第二章 半导体二极管及应用电路+REPN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第二章 半导体二极管及应用电路2.反向偏置（简称反偏） PN结反偏：P区接低电位（负电位）， N区接高电位（正电位）。 硅PN结的Is 为pA级 温度T增大 Is第二章 半导体二极管及应用电路 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的

13、漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 PN结加反向电压时导电情况PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN 结反向偏置NP+RE+内电场变厚_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。 外电场第二章 半导体二极管及应用电路 PN结的正向电阻很小,反向电阻很大。 2.PN结的单向导电性关键在与它的耗尽区的存在,且其宽度随外加电压而变化. 1.PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流

14、；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。即结论:3.PN结的伏安特性 （1）PN结的伏安特性曲线第二章 半导体二极管及应用电路（2）PN结的电流方程 PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为： 其中Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量=kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，e为自然对数的底常温下，T300K时，UT可取26mv二极管动态电阻为：第二章 半导体二极管及应用电路 二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。发生

15、击穿时的电压-反向击穿电压.。反向击穿形式分为两种：热击穿和电击穿热击穿：反向击穿时,电流急剧增加,PN结上的功率很大,当其超过其耗散功率时出现热击穿. *热击穿意味着PN结烧坏。2.2.3 PN结的反向击穿第二章 半导体二极管及应用电路电形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。 对于硅材料的PN结来说，击穿电压 7v时为雪崩击穿，0.7V，二极

16、管导通，等效为 0.7 V 的恒压源UO= VDD1 UD(on) = （15 0.7）V = 14.3 VIO= UO / RL = 14.3 V/ 3 k = 4.8mAI1= IO + I2 = （4.8 + 2.3） mA = 7.1 mAI2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) V/ 1 k = 2.3 mAPNVDD2UORLR1 kW3 kWIOI1I215 V12VVDD10.7V例2 下图所示的二极管电路中，设 VDA、VDB 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。UAUBUOR3

17、 kW12 VVDDVDAVDBBAY正偏导通0 VUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAYUAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY输入电压理想二极管输出电压UAUBVDAVDB0 V0 V正偏导通正偏导通0 V解：UOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY0V0V12VUAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAYUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY0V0V0VUAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY输入电压理想二极管输出电压UAUBVDAVDB0 V0 V正偏导通正偏导通0 V0 V5 V正偏导通0 V解：反偏截止UOR3 kW12

18、VVDDVDAVDBBAY0V5VUAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAYUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY0V5V12VUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY0V5V0V输入电压理想二极管输出电压UAUBVDAVDB0 V0 V正偏导通正偏导通0 V0 V5 V正偏导通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏导通0 V5 V5 V正偏导通正偏导通5 V解：结论：实现了与功能UAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAYUAUBUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAYUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY5V5V12VUAUBUOR3 kW

19、12 VVDDVDAVDBBAYUOR3 kW12 VVDDVDAVDBBAY5V5V5V例3 试分析下图所示的硅二极管电路（1）画出电压传输特性曲线；（2）已知u i10sin t (V)， 画出u i 和u O的波形。uO5.1k-+ui+-2V+-VD24V-+VD1解：（1）分析电路工作情况 当 u i 2.7V 时，VD1管导通，VD2管截止，u O 2.7V ；当 - 4.7V u i 2.7V 时， VD1管和VD2管均截止，u O u i ；当 u i - 4.7V 时，VD1管截止，VD2管导通，u O - 4.7V。 （2）画出电压传输特性曲线和u i和uO的波形如下图所示

20、。(a)电压传输特性-4.72.70tuo/Vt0(b) u i和u O的波形ui/V2.7-4.710-10 双向限幅电路用以限制信号电压范围，常用作保护电路。24-2-40BADCui/V24-4-2uo/V2.利用伏安特性的非线性构成限幅电路例1：如图所示：D1D2vivovovi|vi |0.7V时， D1、D2中有一个导通，所以vo =0.7V例2：如图所示：voviD2D1vovi3. 利用单向导电性构成整流和开关电路不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。（1）全波整流电路：vivo vivoVa、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：

21、VO为高电平所以 F=AB（2）开关电路：Va (A)Vb (B)VO (F)D1D25V例1 ui=10sinwt (v)，E=5v,R=1k，忽略二极管的正向压降和反向电流，画出uo的波形（1） ui E 时，二极管正向导通， uo = E;uiuoERVDui0EEu i u ott例2 判断二极管的工作状态。判断方法： 正向偏置VAVB；导通； 反向偏置VAVB；截止；解题方法：断开二极管2AP1，求VA和VBVA = 15 （10/（10+140）=1V；VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V；VAVB，所以，二极管2AP1截止；2.5 特殊二极管

22、2.5.1 稳压二极管 稳压二极管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管；这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿。第二章 半导体二极管及应用电路（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流I zmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/） （3）动态电阻第二章 半导体二极管及应用电路rz越小，稳压性能越好。稳压二极管稳压的电路:并联型稳压电路工作原理：UoIZDZRI0IUiRL输入电压Ui波动时会引起输出电压Uo波动:如

23、Ui升高将引起随之升高，导致稳压管的电流IZ急剧增加，使得电阻R上的电流I和电压UR迅速增大，从而使Uo基本上保持不变。反之，当Ui减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定:如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。限流电阻第二章 半导体二极管及应用电路uoiZDZRi0iuiRL解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例例1

24、.稳压管的技术参数:求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。由KCL得:由KVL得:令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。uoiZDZRi0iuiRL联立方程1、2，可解得：第二章 半导体二极管及应用电路由KCL得:由KVL得:变容管电路符号变容管压控特性曲线 利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。X 2.5.2 变容二极管第二章 半导体二极管及应用电路1 .光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升；其方向电流与光照成正比。是将光信号转换成电信号的常用器件。IU照度增加X 2.5.3 光电器件第二章 半导体二极管及应用电路光电二极管的外形和符号第二章 半导

25、体二极管及应用电路2 .发光二极管 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。 它的光谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料决定。常用作显示器件，工作电流在几个毫安至几十毫安。第二章 半导体二极管及应用电路七段显示发光二极管发光二极管的主要特性颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，张角45）（mcd）光功率（W）红外900砷化镓1.31.5100500红655磷砷化镓1.61.80.4112鲜红635磷砷化镓2.02.224510黄583磷砷化镓2.02.21338绿565磷化镓2.22.40.511.583.激光二极管 光电二极管通常用于接收由光缆传来的光信号,光缆用作光传输线,由玻璃或塑料制成.对于单色的相干性的波长,传输更有效. 相干性的光是一种电磁辐射,其中所有的光子具有相同的频率且同