模电课件第三章

3.1.2半导体的共价键结构

以硅为例•

原子核为（14），14个电子（分能级），能量大的，离核远。•

吸收或释放能量将使电子的能级变化，最外层的4个，能量大，束缚力小，最易变化。•

原子结构简化模型（硅、锗）：外层有4个电子•

半导体材料：与许多金属和绝缘体一样，具有晶体结构。硅、锗，原子核外层有4个电子，原子按晶格排列。相邻原子间为“共价键”结构。

外层电子称为价电子。简化模型（硅、锗）3.1.2半导体的共价键结构•吸收或释放能量将使电子的能

共价键：是表示两个共有价电子所形成的束缚作用。每一个硅（锗）原子都与周围四个原子构成“共价键”，即每个外层电子为两个原子所共有，互相吸引，很牢固。每个电子均为两个原子所共有，被共价键所束缚。

共价键：是表示两个共有价电子所形成的束缚作用。每一个吸收能量，挣脱共价键的束缚。其受束缚适中故称为半导体。电子带负电。空穴：形象比喻，电子离开后，原位即为空穴。空穴带正电。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用空穴及其导电作用：在外部激发下，少数共价键中的电子成为自由电子（称载流子）

——键内出现空穴（即出现正离子）。说明：导体中没有空穴，这是半导体区别于导体的重要特征。本征半导体：完全纯净、结构完整的晶体——纯净半导体。本征激发：被束缚的价电子受到激发而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。吸收能量，挣脱共价键的束缚。其受束缚适中故称为半导体。电子带空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流

空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流。由此可见：(1)空穴与自由电子的运动方向相反，在外电场作用下都参与导电。(2)半导体中的载流子数目越多，形成的电流也越大。(3)T=0K时，没有热激发，电子不能传导电流，但又不同于绝缘体。热激发自由电子空穴载流子电子载流子注：①两种载流子的运动（带正电荷的空穴和带负电荷的电子）。②这种复合运动是不停的，在无外加定向电压时，是杂乱无章的。空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，

本征激发——常温下的热激发，在本征半导体中称为本征激发。本征激发的自由电子和空穴总是成对出现的，即电子空穴对。（自由电子数=空穴数）载流子的浓度随温度的增加而显著增加

导电能力增加。

半导体的导电性能对温度很敏感，这是半导体的重要特性。3.1.4杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。根据掺杂性质不同，可分为和空穴半导体（P型）电子半导体（N型）。本征激发——常温下的热激发，在本征半导体中1）P型半导体

掺入多出空穴元素的半导体；导电以空穴为主。掺入少量3价元素——硼。硼原子外层有3个电子，与硅组成共价键后，因缺1个电子而形成空穴。硼原子在硅晶体中能接受电子，称硼为“受主杂质”，或P型杂质。除硼外，镓、铝、铅、铟外层也是3个电子。在P型半导体中，多子——空穴；少子——自由电子。

1）P型半导体硼原子在硅晶体中能接受电子，称硼为“受主杂2）N型半导体掺入多出价电子元素的半导体；导电以电子为主。

在硅（或锗）晶体中掺入5价的磷（或锑），外层5个电子中的4个与硅组成共价键，多余1个电子

自由电子（仅须很小的能量）。虽掺杂很微但载流子的浓度要远高于本征激发的自由电子的浓度。

磷原子在硅晶体中能提供电子，称磷为“施主杂质”，或N型杂质。在N型半导体中，多数载流子——电子；少数载流子——空穴。注：整体呈电中性。2）N型半导体3）掺杂后的导电性能不掺杂：晶体的导电性能近乎绝缘体。

掺杂后：半导体中具有多子和少子，这与本征半导体中的电子——空穴对具有关键的差别。

掺杂微量：大大提高了半导体的导电能力。常温下，每个杂质原子可提供一个可成为自由电子的价电子（或空穴）,其数量远大于本征半导体激发的电子（或空穴）的浓度，

掺杂——对半导体的导电性能起了关键作用。注：①少子是本征激发而产生的，虽浓度很低,但对温度很敏感，它将影响半导体的导电性能。

②而多数载流子的浓度基本等于掺杂原子的浓度，故受温度影响小。3）掺杂后的导电性能注：本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念自由电子、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、受主杂质本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念自由电子、空穴3.2PN结的形成及特性在一块完整的硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺形成N型和P型半导体。漂移：电场作用下的载流子的运动。扩散：浓度差引起的载流子的运动。1.PN结的形成

P型半导体与N型半导体交界处

空间电荷区，即PN结

多子的浓度差（P、N区的）

多子扩散（在交界处）

复合

正、负离子

空间电荷区

产生内电场

阻碍多子扩散、使少子漂移

最终平衡

空间电荷区宽度不变（很小）。PN结的形成原理：内电场

—

3.2PN结的形成及特性多子的浓度差（P、N④非空间电荷区呈低阻，空间电荷区具有阻止电流作用，呈高阻，越宽电阻越大。⑤平衡——并非停止了扩散和漂移而是这两种运动处于动态平衡中⑥扩散——浓度差所致（多子）；漂移——电场所致（少子）。说明：

①

VD

：接触电位差，零点几伏。②平衡时，电场力=扩散力，对外呈电中性，外接短路时无电流。③空间电荷区亦称为：阻挡层——阻挡扩散；耗尽层——多子耗尽（复合掉）；势垒区——电子扩散需克服的势能壁垒。

—

内电场力PN结是构成半导体器件的基础。④非空间电荷区呈低阻，空间电荷区具有阻止电流作用，呈高阻，越1）外加正向电压VF

（正向偏置，电源正极——P端）

正偏

空间电荷区变窄

PN结电阻变小——IF大

当VF

VD

时，耗尽区0。（VD为势垒电压）。扩散力>电场力，扩散电流（正向电流）IF

很大（多子运动），PN结呈现低阻。2、PN结的单向导电性1）外加正向电压VF当VFVD时，2）外加反向电压

（反向偏置，电源正极——N端）

外加电压方向与内电场方向相同，内电场加强，阻挡层变宽（只有极少数载流子的漂移），PN结呈高阻。此时的反向电流IS（反向饱和电流）很小（漂移电流，随温度变）。结论：PN结正偏，正向电流IF较大，PN结呈低阻；反偏，电流很小（IS），PN结呈高阻；这就是PN结的单向导电性。

PN结——二极管2）外加反向电压（反向偏置，电源正极——N端）结论：PN3）PN结的伏-安特性以硅二极管为例，在PN结两端加正、反向电压时，结电流

ID

=IS（eVD/VT

1）式中：

IS—反向饱和电流；VD—外加电压；VT—温度电压当量；q—电子电量。VT=kT/q=T/11600=0.026V(26mV)

(T=300K时即摄氏27度)

当VD>0且VD>>VT时有：ID

ISeVD/VT

，ID呈指数关系上升。

当VD

<0且

VD

<<VT时有：ID

IS

，

ID为常数，很小

。

注：①当T

，正向曲线左移，因为少子浓度上升，IS增大（在同样的VD下），ID上升。②反向电压大到一定程度——PN结击穿，反向电流急剧增大。3）PN结的伏-安特性当VD>0且VD>>VT时有：3、PN结的反向击穿反向击穿有两种：电击穿和热击穿。1）电击穿当反向电压增加到一定程度时，可能产生电击穿。强电场

→自由电子、空穴数↑

→反向电流↑（陡增）。有两种：雪崩击穿：VF↑→内电场

↑→自由电子、空穴获得的能量↑→

碰撞电离→载流子的倍增效应→电流急剧放大。齐纳击穿：强电场可直接破坏共价键结构，分离电子空穴对，形成较大的反向电流，这是杂质浓度大的PN结而具有的特性。利用这一特点，可制成稳压二极管。注：反向电流不超过一定值，不会使结温过高，电击穿是可逆的。3、PN结的反向击穿雪崩击穿：VF↑→内电场↑→自由电子两种类型半导体二极管：

点接触型特点——结面积小，通过较小的电流，CB、CD较小；用于小功率、高频电路，如：检波、开关等。

面接触型特点——结面积大,能通过较大的电流，但CB,CD较大；用于大功率、低频电路，如：整流等。阴极阳极CB势垒电容，CD扩散电容。两者之和为结电容，3.3半导体二极管3.3.1结构两种类型半导体二极管：阴极阳极CB势垒电容，CD扩散电容。两3.3.2二极管的伏-安特性

与PN结大体相同但因引线电阻和半导体电阻的存在，正向电流较小，反偏时由于表面漏电流的存在使反向电流增加。

1．正向特性

Vth——门限电压;

加正向电压VD：当VD

Vth，电流迅速上升；当VDVth，外电场较小，不足以克服PN结的内电场，因而正向电流几乎为零，称之为死区。门限电压Vth：硅二极管：0.5V

锗二极管：0.1V

管压降：硅二极管：0.7V

锗二极管：0.2V

3.3.2二极管的伏-安特性1．正向特性管压降2．反向特性加反向电压时，反偏使PN结的内电场得到加强，只有少子能在在反向电压下通过PN结。

∴反向电流（反向饱和电流）很小。（锗管大，硅管小）3．反向击穿特性反向电压增加到一定程度时，反向电流剧增、PN结发热。当热量超过PN结的极限，发生击穿，二极管烧毁。2．反向特性3．反向击穿特性3.3.3二极管的主要技术参数

1、最大整流电流

IF

：最大正向平均电流，不能超过此值。

2、反向击穿电压

VBR

：反向击穿时的电压值。

3、反向电流IR

：未击穿时的反向电流值。其值越小，表明管子的单向导电性越好，但易受温度影响。

4、极间电容Cd：Cd=CD+CB，在高频和开关状态下必须考虑。

5、最高工作频率fM：fM主要由结电容大小决定，超过此值，二极管的单向导电性变差。说明：①限于制造工艺，同一型号的管子，其参数的离散性也很大。②正向平均电流IF和最高反向工作电压VBR是最主要的参数，使用时要特别注意。3.3.3二极管的主要技术参数4、极间电容Cd：CQ由KVL得：3.4

基本电路及其分析方法二极管正向V-I特性的建模在电子电路中应用广泛。如在整流、检波、开关控制、稳压、限幅、变容、发光指示等电路中的应用。3.4.1简单二极管电路的图解分析方法VDDRiDDiD(mA)vD(V)O二极管V—I特性曲线VDD/RIDVD斜率为-1/R的负载线工作点：负载线与V—I特性曲线的交点。注：此方法只适用于V—I特性曲线已知的情况。VDDQ由KVL得：3.4基本电路及其分析方法3.4.1简单3.4.2正向V-I特性的建模1．理想模型看成理想二极管，正向导通，压降为0V；反向截止，电流为0。用于：工作电压较高，压降相对可以忽略的情况下。2、恒压降模型在电路分析时，将正向电压看成一定值。如：锗管VD=0.2V；

硅管VD=0.7V。（较接近二极管的实际情况）3.4.2正向V-I特性的建模1．理想模型2、恒压降模型

3.4

.3

模型分析法应用举例

1、静态工作情况分析

可分别用理想、恒压降、折线模型，求静态时的ID和VD。低压稳压就是利用二极管的正向导通压降。此图是习惯画法。

2．限幅电路若vi=Vmsin

t

，当Vm

VREF+Vth时，正半周被限幅。

实用电路：小功率稳压电路（D1可以不用）

Vo

VD2

。+VDD—3.4

.3

模型分析法应用举例2．限幅电路实用电路：3、开关电路利用二极管的单向导电性能——通/断。

VO=Vi1

Vi2

（数字逻辑电路逻辑“与”“AND”

）

此图也是习惯画法4、低电压稳压

3V以下的稳压，可利用二极管的正向导通压降，将几个二极管同向串连起来使用，每个二极管为0.5-0.75V。5、整流和检波3、开关电路4、低电压稳压5、整流和检波模电课件第三章伏安特性：

正向—同PN结;

反向—

VI

<

VZ

高阻，

ID很小；

VI

≥

VZ

，击穿，可稳定在VZ上。稳压作用：当

IZ很大时，

VZ很小，动态电阻为rZ=V/I（越小，稳压性能越好）主要参数：