半导体材料及二极管

半导体材料及二极管第1页，共79页，2023年，2月20日，星期一1、本征半导体半导体材料——硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）…纯净（＞7N）且具有完整晶格结构的半导体称为本征半导体。一、半导体基本特性第2页，共79页，2023年，2月20日，星期一硅、锗的面心立方体套和晶格结构——按立方体组成晶体点阵，任何一个原子都处在一个立方体的中心，相邻的四个原子则位于立方体的四个顶点。第3页，共79页，2023年，2月20日，星期一硅、锗晶体形成共价键结构:+4+4+4+4+4价电子、束缚电子+4表示除去价电子后的原子第4页，共79页，2023年，2月20日，星期一在一定的温度下，本征半导体内最重要的物理现象是本征激发。+4+4+4+4+4空穴自由电子第5页，共79页，2023年，2月20日，星期一本征激发产生两种载流子（能够导电的电荷）——自由电子、空穴；两种载流子导电的差异——在外电场作用下，自由电子能在晶格中自由运动，是真正的载流子；而空穴导电的本质是价电子依次填补晶格中的空位，价电子只在共价键间运动，宏观上我们将其看成空位的定向运动，空穴是一种等效载流子。第6页，共79页，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4+4空穴的定向运动自由电子的定向运动第7页，共79页，2023年，2月20日，星期一载流子的复合——两种载流子在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失。在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡。平衡状态下单位体积内的自由电子（或空穴）数称为本征浓度，用ni表示。第8页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、杂质半导体在本征半导体中渗入微量5价元素（如磷）后形成N型杂质半导体，简称N型半导体。施主电离——在很低温度下，5价元素就会有一个不受共价键束缚的价电子成为自由电子。第9页，共79页，2023年，2月20日，星期一价电子、束缚电子+5+4+4+4+4自由电子缺少一个价电子成为不能移动的带+q的正离子第10页，共79页，2023年，2月20日，星期一虽然由施主“提供”了自由电子，但N型半导体仍呈电中性。N型半导体在一定温度下既有施主电离产生的自由电子，又有本征激发产生的自由电子和空穴；因此，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。施主电离产生自由电子和正粒子，不会产生空穴；第11页，共79页，2023年，2月20日，星期一在本征半导体中渗入微量3价元素（如硼）后形成P型杂质半导体，简称P型半导体。受主电离：在很低温度下，3价元素的空位就会由价电子填补，从而形成空穴。第12页，共79页，2023年，2月20日，星期一+3+4+4+4+4增加一个价电子成为不能移动的带-q的负离子价电子、束缚电子空穴第13页，共79页，2023年，2月20日，星期一虽然由受主“接受”价电子形成了空穴，但P型半导体仍呈电中性。受主电离产生空穴和负粒子，不会产生自由电子。P型半导体在一定温度下既有受主电离产生的空穴，又有本征激发产生的自由电子和空穴；因此，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。第14页，共79页，2023年，2月20日，星期一平衡状态下多子浓度与少子浓度的乘积等于同一温度时本征浓度的平方（n0p0=ni2）。它说明：掺杂使多子浓度提高的同时使少子浓度降低；因此，N型半导体的多子浓度n0>本征浓度ni>少子浓度p0；P型半导体的多子浓度p0

>本征浓度ni>少子浓度n0

。第15页，共79页，2023年，2月20日，星期一杂质原子数的密度与半导体原子数的密度相比尽管很小，但仍然远大于常温时的本征浓度，且常温下杂质电离全部完成；因此，常温下多子浓度基本等于杂质密度，远大于本征浓度，并基本与温度无关。少子浓度是温度的函数。在相同掺杂条件下，硅的少子浓度远小于锗的少子浓度。第16页，共79页，2023年，2月20日，星期一3、半导体中的漂移电流与扩散电流漂移电流——在外电场作用下，载流子作宏观定向运动所形成的电流。空穴沿电场力方向漂移，自由电子逆电场力方向漂移，虽然两者漂移方向相反，但形成的漂移电流方向却相同，总的漂移电流为两者之和；漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比；杂质半导体的多子浓度远大于少子浓度，因而多子漂移电流也远大于少子漂移电流。第17页，共79页，2023年，2月20日，星期一扩散电流——载流子因浓度差作宏观定向运动所形成的电流。两种载流子均沿浓度梯度方向扩散，虽然两者扩散方向相同，但形成的扩散电流方向却相反，总的扩散电流为两者之差；扩散电流与载流子的浓度梯度成正比。第18页，共79页，2023年，2月20日，星期一1、PN结的形成及特点用某种工艺将本征半导体掺杂为两个区：一个区为P型半导体，另一个区为N型半导体。二、PN结导电特性在两者的界面附近会形成一个特殊的薄层——PN结。第19页，共79页，2023年，2月20日，星期一PN结的形成：界面两侧的多子向对方扩散→越界后相当于对方的少子被复合；－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－第20页，共79页，2023年，2月20日，星期一－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－从而在P区一侧留下受主负离子、在N区一侧留下施主正离子，形成一个电偶层即由N区指向P区的内建电场→进一步扩散进入内建电场的多子被漂移回来，最终达到扩散与漂移的动态平衡。内建电场PN结P型半导体N型半导体第21页，共79页，2023年，2月20日，星期一PN结的特点：空间电荷区——结内形成内建电场（非电中性），内建电压的典型值为0.7V（Si）或0.35V（Ge）；耗尽层—结内的载流子在PN结形成过程中已经耗尽；阻挡层（势垒区）—阻止两侧多子越结扩散。若掺杂密度不同，则形成不对称PN结，空间电荷区向低掺杂区延伸。第22页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、PN结的单向导电特性偏置——在半导体器件上所加的直流电压（偏压）和电流（偏流）。由于PN结是耗尽层，相对于结外的P区和N区而言是高阻区，偏压几乎完全作用在结层上。正向偏压的PN结：第23页，共79页，2023年，2月20日，星期一正偏电压削弱结电场，动态平衡被打破，（由于外电路的强制行为，建立原有动态平衡的趋势被遏止！）

PN结变薄，有利于扩散，从而使多子扩散大于漂移，在外电路形成正向电流。（内部存在两种载流子运动而外电路只有电子运动！）对外电路而言，相当于PN结导通。第24页，共79页，2023年，2月20日，星期一－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－外电场正向偏压结电场被削弱内建电场PN结变薄第25页，共79页，2023年，2月20日，星期一反向偏压的PN结——反偏电压增强结电场，PN结变宽，多子扩散受到更强的阻挡，对外电路而言，相当于PN结截止。显然，正偏电压越大，PN结越薄，越有利于扩散，相应外电路的正向电流也越大。第26页，共79页，2023年，2月20日，星期一－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－++++－－－－外电场反向偏压内建电场结电场被增强PN结变宽第27页，共79页，2023年，2月20日，星期一结电场的增强有利于少子的越结漂移，从而在外电路形成反向电流；（同样，内部是两种载流子运动，外电路只有电子运动！）由于少子数量有限，即使全漂也只能形成很小的反向饱和电流，若忽略不计，仍可认为PN结是截止的。综上，可以得到PN结最重要的特性——单向导电特性。第28页，共79页，2023年，2月20日，星期一PN结的伏安特性——由理论分析得到式中：IS为PN结的反向饱和电流，该值很小，一般硅PN结IS的值仅pA级；VT为热电压，常温（T=300K）下一般取VT≈26mV。可以验证，只有当vD的值取到0.52V以上时，硅PN结的iD值才能达到mA级；因此，即使正向偏压的PN结也存在一个导通电压VON，只有当vD大于VON时，PN结才有明显的正向电流iD

。第29页，共79页，2023年，2月20日，星期一vD(V)iD(mA)VONPN结的伏安特性曲线：第30页，共79页，2023年，2月20日，星期一二极管的特性与PN结的特性基本相同。1、二极管的伏安特性形式上，二极管的伏安特性与PN结的伏安特性相同：二极管的核心是PN结。三、二极管的特性及模型式中：IS为二极管的反向饱和电流，比PN结的略大一点。第31页，共79页，2023年，2月20日，星期一①二极管的单向导电特性二极管正偏时，其伏安特性可近似为：二极管反偏时，其伏安特性可近似为：正偏二极管存在一个导通电压VON，小功率硅二极管导通电压的典型值VON=0.7V，小功率锗二极管导通电压的典型值VON=0.3V。第32页，共79页，2023年，2月20日，星期一二极管反偏时，锗管的反向饱和电流至少比硅管大三个数量级以上。温度增加时，二极管的反向饱和电流明显增大。②二极管的反向击穿导电特性反向击穿现象——PN结的反偏电压大到一定值时，反向电流会急剧增大。反向击穿原因：第33页，共79页，2023年，2月20日，星期一雪崩击穿——价电子被碰撞电离，发生于低掺杂PN结；击穿电压一般在6V以上；齐纳击穿——价电子被场致激发，发生于高掺杂PN结；击穿电压一般在6V以下。只要保证击穿时平均管耗不超过允许值，二极管的反向击穿是一种可逆的电击穿。第34页，共79页，2023年，2月20日，星期一二极管的反向击穿特性曲线：vDiD稳压二极管（稳压管）是一种专门工作在反向击穿状态的二极管。第35页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、二极管的直流电阻和交流电阻二极管的伏安特性表明其为非线性电阻。二极管的直流电阻——一般将二极管的直流电压VD和直流电流ID称为二极管的工作点Q，将该工作点Q处直流电压直流与电流的比值定义为直流电阻RD，即：第36页，共79页，2023年，2月20日，星期一二极管的交流电阻——将二极管工作点Q处微变电压增量与微变电流增量的比值定义为交流电阻rd，即：第37页，共79页，2023年，2月20日，星期一3、二极管模型分析含二极管的电路时，由于涉及二极管伏安特性（也称为二极管方程）这样的非线性方程，工程上一般不采取直接计算的方法。工程上常用的一种方法是图解法，又称负载线法；第38页，共79页，2023年，2月20日，星期一vDiDiDvD+-300Ω3V例1：用图解法求图示电路的vD和iD。0.727.6第39页，共79页，2023年，2月20日，星期一工程上常用的另一种方法是模型法——用理想元件构成的等效电路来近似非线性器件。①二极管的大信号模型理想开关模型：恒压源模型：vDiDvDiD第40页，共79页，2023年，2月20日，星期一折线近似模型vDiD例1.1(p18)：用模型法求图示电路的vD

和iD。iDvD+-300Ω3V二极管用恒压源模型vD=0.7V,iD>0第41页，共79页，2023年，2月20日，星期一iDvD=0.7V+-300Ω3V②二极管的小信号模型一般情况下iD=ID+id、vD=VD+vd，若id

、vd足够小，在工作点Q（ID、VD）附近二极管可以线性化，根据叠加原理，可以分别进行ID、VD及id

、vd分析。第42页，共79页，2023年，2月20日，星期一计算ID、VD称为求工作点Q

，需画出只反映ID、VD的电路——直流通路；计算id

、vd称为交流小信号分析，需画出只反映id

、vd的电路——交流通路，相应需要二极管的小信号模型。二极管的小信号模型就是二极管在工作点Q处的交流电阻rd

。第43页，共79页，2023年，2月20日，星期一例2：图示电路中v=2sin(2π×104t)mV

，C=200mF，求id

。iDvD+_300Ω3V+_vC解：画出直流通路VDID+_300Ω3V第44页，共79页，2023年，2月20日，星期一二极管用恒压源模型求出工作点Q的交流电阻IDVD=0.7V300Ω3V第45页，共79页，2023年，2月20日，星期一画出交流通路+_vidrd300Ω+_vidvd300Ω+_二极管用小信号模型作业(p38-39)：1.4、1.6、1.7第46页，共79页，2023年，2月20日，星期一①半波整流电路1、整流电路当vi(t)>0时，D导通；当vi(t)<0时，D截止；分析整流电路时二极管一般用理想开关模型。+_vo(t)+_vs(t)..D+_vi(t)四、二极管的应用第47页，共79页，2023年，2月20日，星期一②全波整流电路当vi(t)>0时，D1导通、D2截止；当vi(t)<0时，D1截止、D2导通。+_vo(t)+_vs(t)D1D2..vi(t)+_第48页，共79页，2023年，2月20日，星期一③桥式整流电路当vi(t)>0时，D1D3导通、D2D4截止；当vi(t)<0时，D1D3截止、D2D4导通。+_vo(t)+_vs(t)D1D2..D4D3vi(t)+_第49页，共79页，2023年，2月20日，星期一实用的整流电路一般需配套滤波电路。加入滤波电路后，D的导通时间远小于半同期。+_vo(t)+_vs(t)..Dvc(t)+_+_vi(t)第50页，共79页，2023年，2月20日，星期一2、限幅电路①并联型双向限幅电路+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2分析限幅电路时二极管可以用理想开关模型，也可以用恒压源模型。第51页，共79页，2023年，2月20日，星期一当vi(t)>V1时，D1导通、D2截止；vi(t)<-V2时，D1截止、D2导通；而当V1>vi(t)>-V2时，D1、D2均截止。+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2第52页，共79页，2023年，2月20日，星期一vi(t)tV1-V2vo(t)第53页，共79页，2023年，2月20日，星期一vi(t)vo(t)-V2V1V1-V2其传输特性曲线：第54页，共79页，2023年，2月20日，星期一②串联型双向限幅电路+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1假定状态分析法：第55页，共79页，2023年，2月20日，星期一a假定状态1——D1、D2均截止：此时vo(t)=V2，va(t)=V1；由于vo(t)>va(t)，D2导通，与假定状态矛盾，故状态1不成立；+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1第56页，共79页，2023年，2月20日，星期一假定状态2——D1导通、D2截止：此时vo(t)=V2，va(t)=vi(t)

；只有当vi(t)>V2(>V1)时，状态2成立；a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1第57页，共79页，2023年，2月20日，星期一假定状态3——D1截止、D2导通：此时vo(t)=va(t)=；只有当vi(t)<时，状态3成立；a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1第58页，共79页，2023年，2月20日，星期一假定状态4——D1、D2均导通：此时vo(t)=vi(t)；只有当<vi(t)<V2时，状态4成立。a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2>V1第59页，共79页，2023年，2月20日，星期一vi(t)tV1V2vo(t)第60页，共79页，2023年，2月20日，星期一其传输特性曲线：vi(t)vo(t)V2V2第61页，共79页，2023年，2月20日，星期一3、钳位电路+_vo(t)+_vi(t)DCvc(t)+_分析钳位电路时二极管可以用理想开关模型，也可以用恒压源模型。第62页，共79页，2023年，2月20日，星期一vi(t)t-VVvc(t)vo(t)+_vo(t)+_vi(t)DCvc(t)+_第63页，共79页，2023年，2月20日，星期一4、逻辑电路分析逻辑电路时二极管一般用恒压源模型。VD1V1V2RVoD2第64页，共79页，2023年，2月20日，星期一假定状态分析法：假定状态1——D1、D2均截止：此时Vo=V；只有当V1、V2<V时，状态1成立；VD1V1V2RVoD2第65页，共79页，2023年，2月20日，星期一VD1V1V2RVoD2假定状态3——D1截止、D2导通：此时Vo=V2-0.7；当V2

>V而V1<V时，状态3成立；假定状态2——D1导通、D2截止：此时Vo=V1-0.7；当V1>V而V2<V时，状态2成立；第66页，共79页，2023年，2月20日，星期一假定状态4——D1、D2均导通：此时同时有Vo=V1-0.7及Vo=V2-0.7；当V1=V2>V时，状态4成立；虽然V1、V2>V

但V1≠V2时，状态4不成立。VD1V1V2RVoD2第67页，共79页，2023年，2月20日，星期一如果V1、V2只取>V或<V的两种数值，且所取的数值相等，将<V的数值记为逻辑0，>V的数值记为逻辑1，则该电路为有1为1的“或”逻辑电路。第68页，共79页，2023年，2月20日，星期一5、稳压电路限流电阻R——保证稳压管正常工作(电击穿而不是热击穿)的必备措施。稳压管主要参数：VZ、rZ、IZMAX、IZMIN；+_+_VIDZΔVIRRLΔRLVO+ΔVO第69页，共79页，2023年，2月20日，星期一限流电阻R的选取：第70页，共79页，2023年，2月20日，星期一稳压管的恒压源模型稳压管