数字电子技术 第1 章 半导体特性、二极管.ppt

1、第一章半导体器件，1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管1.4场效应三极管根据物体的导电(电阻率)区分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109厘米。典型的半导体是硅Si、锗Ge、砷化GaAs等。1.1半导体的特性，(1)本晶半导体的共价键结构，(2)电子空穴对，(3)空穴的移动，本晶半导体化学成分纯正的半导体。半导体器件制造的半导体材料纯度为99.99999999%，被称为“9个9”。物理结构上呈单晶形态。1.1.1本征半导体及其导电，(1)本征半导体的共价键结构，硅和锗为4价元素，原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围四个原子的价电子形成共价键。共价

2、键中的价电子是牙齿原子所共有的，束缚在它们身上，形成了空间上排列的晶体。(约翰f肯尼迪，原子，原子，原子，原子，原子，原子)，牙齿结构的立体和平面示意图见图01.01。(2)电子空穴对，导体热力学温度0K时，导体中没有自由电子。温度升高或被光照射后，价电子能量提高，一些价电子摆脱共价键束缚，参与传导，成为自由电子。随着自由电子的产生，原始共价键中出现了一个空位，原子的传记中性显示破坏，正电，正电等于电子的负电，人们通常将表示正电的牙齿空位称为空穴。牙齿现象也称为固有激发，热激发。可见热刺激引起的自由电子和空穴同时成对。这被称为电子空穴对。自由电子的自由部分也可以回到称为复合的空孔，如图01.0

3、2所示。固有激发和合成将在特定温度下动态平衡。图01.02本征刺激和复合过程(动画1-1)，(3)空穴的移动，自由电子的方向运动形成电子电流，空穴的方向运动也可以形成空穴电流，其方向相反。但是空穴的运动是通过按照相邻共价键中的价电子顺序填充空穴来实现的。请参阅图01.03中的动画演示。(动画1-2)，图01.03空穴在晶格中的移动，(1) N型半导体(2) P型半导体，在本晶半导体中掺入一些稀有元素，会使半导体的导电性发生很大变化。掺入的杂质主要是3价或5价元素。混合了杂质的固有半导体称为杂质半导体。1.1.2杂质半导体，(1)N型半导体，在本晶半导体中掺入5价杂质元素(如磷)的话，也称为N型

4、半导体，又称电子型半导体。5价杂质原子中只有4个价电子能形成周围4个半导体原子中的价电子和共价键，1个不必要的价电子没有共价键束缚，很容易成为自由电子。在n型半导体中，自由电子是由大部分载流子，主要是杂质原子提供的。空穴是由少数载流子，热刺激形成的。提供自由电子的五价杂质原子可以提供电子，所以五价杂质原子被称为施主原子。n型半导体的结构图如图01.04所示。图01.04 N型半导体结构图表，(2)在P型半导体、本晶半导体中混合三价杂质元素(如钚、镓、铟等)形成P型半导体，也称为共血型半导体。当三价杂质原子与硅原子共价键时，一个价电子不足，在共价键里留下了空穴。(阿尔伯特爱因斯坦，原子，原子，原

5、子，原子，原子，原子，原子)P型半导体的空穴是由许多载流子，主要是掺杂而成的。电子是由热刺激形成的少数载流子。空穴容易俘获电子，因此三价杂质起到接受电子的作用，因此也称为主原子。p型半导体的结构图如图01.05所示。图01.05 P型半导体的结构图，图01.05 P型半导体的结构图，掺杂对本晶半导体的导电性有很大影响。部分典型数据如下。牙齿三种茄子浓度基本差异为106/cm3。，1.1.3杂质对半导体导电性的影响，1.2.1 PN结的形成，1.2.2 PN结的单向导电，1.2.3 PN结的电容效应，1.2半导体二极管，此时N型半导体和P型半导体的结合面形成以下物理过程3360牙齿。浓度差异很大

6、的扩散运动，使杂质离子形成空间电荷区，空间电荷区形成内部电场，内部电场阻止器件漂移，内部电场阻止多边扩散，形成1.2.1 PN结，最后形成多边扩散和器件漂移动态平衡。在p型半导体和N型半导体结合面的情况下，离子薄层形成的空间电荷区域称为PN结。空间传记负荷分区中没有多个儿子，因此也称为枯竭层。图01.06 PN节点形成过程，(动画1-3)，PN节点形成过程见图01.06。如果附加电压高于PN结：P区域的电位高于N区域的电位，则称为加正电压，即正偏转。PN连接具有单向传导，如果额外电压使电流从P区流向N区，则PN连接具有低电阻，因此电流很大。相反，高电阻，小电流。p区的电位低于N区的电位，这称为

7、逆电压，简称逆偏转。1.2.2 PN结的单向导电，(1) PN结加上正向电压时的导电，加上部分正向电压降落在PN结区域。方向削弱内部电场，与PN接头内电场的方向相反。结果，内战界对多边扩散运动的障碍减弱，扩散电流增加。扩散电流比漂移电流大得多，可以忽略漂移电流的影响，PN连接表示低电阻。PN连接加上正电压，导电性如图01.07所示。(动画1-4)，图01.07 PN连接加上正向电压的导电，(2)在PN连接上添加反向压力时的导电，加上反向压力的一部分降落在PN连接区域。方向与PN接头中的电场方向相同，强化内部电场。内战界对多边扩散运动的障碍增强，扩散电流大大减少。此时，PN连接区域中的元件在内部

8、电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可以忽略扩散电流，PN连接表示高电阻。在特定温度条件下，由牙齿刺激确定的元件浓度是恒定的，因此元件形成的漂移电流是恒定的，基本上与逆压力的大小无关，牙齿电流也称为逆饱和电流。图01.08中显示了向PN联接添加逆压时的导电性。图01.08 PN连接中添加逆电压时的导电率，PN连接中添加正向电压时的电阻较低，正向扩散电流较大。PN连接加上反向电压，就会出现高电阻、极小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。(动画1-5)，图01.08 PN连接中添加反向压力时的导电，PN连接具有一定的电容效果，这由两个茄子因素决定。第一，势壁垒电容CB，第二

9、，扩散电容CD。1.2.3 PN结的电容效应，(1)势壁垒电容CB，势壁垒电容空间电荷区的离子薄层形成。当加电压改变PN连接的压降时，离子薄层的厚度也相应地发生变化，这与电容充电放电一样，PN连接中存储的电荷量也相应地发生变化。势壁垒电容图见图01.09。图01.09势壁垒电容示意图，扩散电容是在多边扩散后PN结的另一侧累积形成的。当PN结为正时，从N区扩散到P区的电子与外部电源提供的空穴相结合，形成正向电流。刚刚扩散的电子堆在P区内PN结的附近，形成一定的多边浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容CD，而从P区扩散到N区的空穴在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容图如图01.10所示。图0

10、1.10扩散电容示意图，加上净电压不同，扩散电流，即外部电路电流的大小也不同。因此，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同。这是相当电容的充电放电过程。势壁垒电容和扩散电容都是非线性传记容量。PN结加上引线和包装，就成了一个二极管。按二极管结构分为接触型、面试型、平面型三个茄子主要类别。他们的结构图如图01.11所示。(1)点接触型二极管，PN连接面积小，连接电容器小，用于检波和变频等高频电路等。1.2.4半导体二极管结构类型，(3)常用于平面二极管、集成电路制造工艺。PN结面积大，高频整流和开关电路都使用。(2)面接触型二极管，PN结面积大，工频大电流整流电路。(B)面接触型，表达式中IS

11、是反向饱和电流，V是二极管两端的电压降，VT=kT/q是温度的电压当量，K是玻尔兹曼常量，Q是电子电荷，T是热力学温度。对于室温(相当于T=300 K)，VT=26 mV。理论表明，二极管电压特性曲线为(称为二极管方程式)，(1.1)，1.2.5半导体二极管电压特性曲线，图01.12二极管电压特性曲线，(1)正向特性，硅二极管死区电压vtt，0VVth中的正向电流为0，当位于V0牙齿正向特性区域时。正向区域分为两部分。在VVth中，正向电流出现并呈指数增长。(2)翻转特性，V0时位于翻转特性区域中。逆向区域也分为两个区域。在VBRV0中，反向电流较小，基本上不随反向压力的变化而变化。在牙齿情况

12、下，反向电流也称为反向饱和电流IS。VVBR中反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。反向区域的硅二极管和锗二极管特性不同。硅二极管反向击穿特性比较硬，陡，反向饱和电流也较小。锗二极管反向击穿特性比较柔和，转换比较平滑，反向饱和电流更大。半导体二极管参数最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最大工作频率fmax和接合容量Cj等。几个茄子主要参数简介如下：(1)最大整流电流中频，二极管器官连续运行时允许二极管通过的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VR，1.2.6半导体二极管参数，(3)反向电流IR，(4)正向压降VF，(5)

13、动态电阻rd，在室温下指定的反向电压下硅二极管反向电流通常为纳安(nA)在微型和(a)级别上的锗二极管。在指定的净电流下二极管净电压下降。小电流硅二极管正向压降为中等电流水平，约0 . 60 . 8v；是。锗二极管约0.20.3V .反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小相关，即rd=VF /IF，温度对二极管性能有很大影响。温度升高时，回流会呈指数增长。例如，硅二极管温度每增加8，反向电流就会增加约两倍。锗二极管温度每增加12，反向电流就会增加约两倍。此外，温度越高，二极管正向压力降越小，每增加1，正向压力降VF(VD)就减少约2mV，因此具有负温度系数。图01.13

14、所示的二极管伏安特性曲线中可见。1.2.7半导体二极管温度特性、图01.13温度对二极管电压电流特性曲线的影响、图、半导体器件模型的国家标准命名示例：1.2.8半导体二极管模型、半导体二极管图、半导体二极管图、半导体二极管图、调节器二极管应用于反向击穿区域，电压调节器二极管电压特性曲线与硅二极管电压特性曲线完全相同，电压调节器二极管电压特性曲线的反转区域、下一页，1.2.9电压调节二极管，图01.14电压调节二极管电压电流特性，(a)符号(b)电压电流特性(c)应用电路，(b)，(c)，(a)，(a)，(1)稳定电压VZ，(2)动态电阻rZ，在指定稳定管反向工作电流IZ中对应的反向工作电压。其概念与一般二极管动态电阻相同，但调节器二极管的动态电阻是从其逆性质中得到的。RZ越小，稳定压力管的屈服特性越陡。RZ=VZ /IZ，(3)最大功率PZM，稳定管的最大功率损失取决于PN联接的面积和热量等条件。反向操作时pnns的功率损失为PZ=VZ IZ，PZM和VZ可以确定IZmax。(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin，稳定管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率(PZmax=VZIZmax)。Izmin相当于VZmin。如果有IZIZmin牙齿，电压调节将渡边杏。(5)稳定电压温度系