微电子第二讲

晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2

PN结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。1.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体二、本征激发和复合

当T

升高或光线照射时产生自由电子空穴对。

共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影响)

时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称本征激发。当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子本征激发产生的两种载流子总是成对出现的空穴的运动空穴—带正电注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。复合在自由电子-空穴对产生过程中还同时存在着复合过程，这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量，造成自由电子-空穴对消失的过程。温度一定时：激发与复合在某一热平衡载流子浓度值（即单位体积内的载流子数）上达到动态平衡。三、热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度（电子或空穴）：本征半导体中本征激发—产生自由电子-空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性A是常数，k是玻尔兹曼常数，Eg0是T=0K时的禁带宽度。一、N型半导体：1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4N型半导体多子——自由电子少子——空穴自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。施主杂质，受晶格束缚的正离子二、P型半导体+4+4+3+4+4P型半导体少子——自由电子多子——空穴空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。受主杂质，受晶格束缚的正离子三、多子和少子热平衡浓度N型半导体(热平衡条件)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。122.少量掺杂,载流子显著增加，导电能力增强。3.多子浓度近似等于掺杂浓度，与温度无关,

少子浓度随温度升高显著增加。4.当温度升高，杂质半导体会变成本征半导体。5.掺入不同的杂质元素，能改变杂质半导体的导电类型，这是制造PN结的一种主要方法。1.掺杂后:多子>>少子。131.1.3两种导电机理——漂移和扩散一、漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率迁移率：单位场强下的平均漂移速度。截面积S+-V长度l电场EI电子电流Int空穴电流Ipt14

半导体的电导率电压：

V=E

l电流：I=SJt截面积S电阻：电导率：+-V长度l电场EI电子电流Int空穴电流Ipt15载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度：

二、扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0扩散电流是半导体的特有电流。16小结

1.半导体依靠自由电子和空穴两种载流子导电。本征半导体存在本征激发和复合，两种载流子电子和空穴成对出现，其浓度随温度升高迅速增大。2.杂质半导体

掺杂

多子

少子N型半导体：+5价磷Nd电子空穴施主杂质P型半导体：+3价硼Na空穴电子受主杂质3.半导体两种导电方式：漂移、扩散。1.2

PN结利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。掺杂IDIT扩散电流漂移电流P型N型PN结内建电场E空间电荷区：耗尽区、阻挡层、势垒区1.2.1动态平衡下的PN结阻止多子扩散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。

PN结形成的物理过程19二、内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V三、阻挡层宽度：

注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻挡层宽度l0

越小。温度每升高1℃，VB约减小2.5mV。T=300K时，热电压阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比：201.2.2

PN结的伏安特性一、正向特性P+N内建电场El0+-VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散>>少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V电流I21二、反向特性P+N内建电场

El0-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移>>多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V近似无关。温度T电流IR结论：PN结具有单方向导电特性。IR

在某一温度下，达到最大值ISIS的大小硅：（10-9--10-16）A锗：（10-6--10-8）A三、伏安特性22PN结——伏安特性方程式PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：

IS为反向饱和电流,其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：反偏时：Si:VD(on)=0.7VGe:VD(on)=0.25V导通电压击穿电压反向饱和电流导通电压23伏安特性曲线VD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)时随着V

正向R

很小I

PN结导通；V<VD(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。IDVVD(on)-ISSiGeO24四、温度特性温度每升高10℃，IS

约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)

约减小2.5mV。温度特性正偏时，正向电流随温度升高略有增大。温度升高到一定值时，呈现本征半导体特性。最高工作温度：硅150℃---200℃锗75℃---100℃251.2.3

PN结的击穿特性|V反|

=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0

较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

形成原因：碰撞电离。形成原因：场致激发。发生条件PN结掺杂浓度较高(l0

较窄)外加反向电压较小(<6V)V(BR)IDVO|V反|，速度，动能，碰撞。|V反|，E，场致激发。26

击穿电压的温度特性

雪崩击穿电压具有正温度系数。

齐纳击穿电压具有负温度系数。

稳压二极管

利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。

要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO因为T

载流子运动的平均自由路程来自外电场的能量V(BR)。因为T

价电子获得的能量更易导致场致激发V(BR)。271.2.4

PN结的电容特性势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。

势垒电容CT

扩散电容CD

阻挡层外(P区和N区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N28PN结电容PN结反偏时，CT>>CD，则Cj

CTPN结总电容：Cj=CT+CDPN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD

为主。故：PN结反偏时，以CT

为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT

几pF~几十pF。

变容二极管（反偏）

变容二极管实物图变容二极管的电路符号1.3晶体二极管电路分析方法29晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：

便于计算机辅助分析的数学模型

适于任一工作状态的通用曲线模型直流简化电路模型交流小信号电路模型

电路分析时采用的1.3.1晶体二极管的模型30一、数学模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常时：n1I过小或过大时：n

2rS—体电阻+引线接触电阻+引线电阻注意：上述模型仅能较好地反映正向特性；考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS

理想IS。31二、曲线模型—伏安特性曲线V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS当V>VD(on)

时二极管导通当V<VD(on)

时二极管截止当反向电压V

V(BR)

时二极管击穿晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。32三、简化电路模型折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想状态：与外电路相比，VD(on)

和RD

均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。abVD(on)D+-33四、小信号电路模型34四、小信号电路模型rsrjCjIVQrs：PN结串联电阻，数值很小。rj：为二极管增量结电阻（肖特基电阻）。注意：高频电路中，需考虑Cj

影响。Cj：PN结结电容，由CD

和CT两部分构成。35前三种电路模型用来计算二极管上加特定范围内电压或电流值时的响应。小信号模型限于计算叠加在Q点上微小电压或电流的响应。36一、图解分析法分析二极管电路主要采用：图解分析法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简化分析法)

写出管外电路直流负载线方程。1.3.2晶体二极管电路分析方法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：

作直流负载线。

分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。37例1已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。+-RVDDDI+-V

由图可写出直流负载线方程：V=VDD

-

IR

在直流负载线上任取两点：解：

连接两点，画出直流负载线。IVQVDDVDD/RVQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交点(VQ,IQ)，即为Q

点。38例2已试求图(a)所示电路的静态工作点电压和电流。DR1R2+

—VDD(a)+-RTVTDI+-V(b)IVQVTVT/RTVQIQ(c)

用戴维南定理将图(a)中的关外电路简化成图(b)所示电路，其中VT

=VDD

R2/(R1+R2)，RT=R1//R2。可写出直流负载线方程：V=VT

-

IRT解：39二、简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。

将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若V>0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若V>VD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VA(a)R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI(b)如图(a)所示电路中，D1，D2的VD(on)=0.7V，RD=100，试画出VO

随VI变化的传输特性。将D1、D2

看为理想二极管41R1D1D2R2VDD2VDD1VOVI+_+_+_+_100k200k100V25VAI1VI/VVO/V0137.51002525当VI<25V时，D1和D2

都截止，得VO=VDD2=25V。当VI>25V时，D1导通和D2

仍截止，得通过D1的电流I1

：此时VO

：当VO=VA=100V时：42四、小信号分析法即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：

将直流电源短路，画交流通路。

用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。

利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。43第1章晶体二极管例6如图(a)所示电路中，IQ=0.93mA，R=10k，△VDD=sin2π×100t(V),试求△V。R10kD+_+_VDD△VDD(a)R+_△VDD△V+_(b)rsrj△I解