模拟电子技术基础课件 第1章 半导体二极管及应用电路资料

第1章半导体二极管及应用电路第1章半导体二极管及应用电路1.1半导体的导电特性1.2PN结的形成及特性1.3二极管1.4特殊二极管电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1.1半导体的导电特性1.1.1本征半导体及其导电特性1.1.2N型半导体1.1.3P型半导体电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1.1半导体的导电特性1.导体：电阻率10-4·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。2.绝缘体：电阻率109·cm物质。如橡胶、塑料等。3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路半导体具有以下特性：•(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性可制成热敏元件。•(2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件。•(3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1.1.1本征半导体及其导电特性现代电子学中，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。GeSi电气与电子工程学院硅的原子结构图价电子第1章半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院硅和锗的晶体结构4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。第1章半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键共价键有很强的结合力，在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，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。第1章半导体二极管及应用电路第1章半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴当温度升高或受光照时，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结：第1章半导体二极管及应用电路综上，由于半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：电气与电子工程学院当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。第1章半导体二极管及应用电路1.1.2N型半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子电子——多数载流子(简称多子)空穴——少数载流子(简称少子)自由电子空穴第1章半导体二极管及应用电路1.1.3P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度电子浓度受主原子空穴电气与电子工程学院空穴——多数载流子电子——少数载流子第1章半导体二极管及应用电路说明：1.多子浓度由杂质的浓度决定；少子浓度由温度决定。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体中载流子的数目要远远高于本征半导体中载流子的数目，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体第1章半导体二极管及应用电路1.2PN结的形成及特性1.2.1PN结的形成在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结PN结的形成电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN第1章半导体二极管及应用电路3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD——电位壁垒——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子漂移。少子的运动与多子运动方向相反。阻挡层第1章半导体二极管及应用电路5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；空间电荷区很薄，约为几微米~几十微米；PN结宽度达到稳定，即达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。电气与电子工程学院扩散电流＝漂移电流总电流＝0第1章半导体二极管及应用电路总结:在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。因浓度差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最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散由离子形成空间电荷区第1章半导体二极管及应用电路1.2.2PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压(正偏)又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路形成较大正向电流IF多子向PN结移动空间电荷区变窄内电场减弱扩散加强，漂移减弱PN结在外加正向电压时的情况外电场削减内电场作用电气与电子工程学院在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。第1章半导体二极管及应用电路空间电荷区PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压(反偏)外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动加强→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IS由于少数载流子浓度很低，反向电流IS很小。第1章半导体二极管及应用电路形成反向电流IS多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况外电场增强内电场的作用反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。第1章半导体二极管及应用电路可见，PN结具有单向导电性。电气与电子工程学院结论：PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结反偏时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。第1章半导体二极管及应用电路1.2.3PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。1.势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图电容效应势垒电容扩散电容第1章半导体二极管及应用电路扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。PN结正偏时，刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容CD反之，由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。电气与电子工程学院空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。第1章半导体二极管及应用电路扩散电容示意图当外加正向电压不同，扩散电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。第1章半导体二极管及应用电路势垒、扩散电容都与结面积S成正比。点接触二极管的结面积很小，CB、CD都很小，只有0.5～几pF。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CB、CD约在几pF～200pF。在等效电路中，CB和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即C=CB+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，C≈CD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，C≈CB。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路刘雪婷邮箱：[e-mail]第1章半导体二极管及应用电路1.本征半导体及其导电特性2.N型半导体3.P型半导体电气与电子工程学院主要内容4.PN结的形成5.PN结的单向导电性第1章半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键共价键有很强的结合力，在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，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.本征半导体及其导电特性第1章半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴当温度升高或受光照时，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院本征半导体掺入5价元素后，杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子很容易被激发而成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子电子——多数载流子(简称多子)空穴——少数载流子(简称少子)自由电子空穴2.N型半导体第1章半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度电子浓度受主原子空穴电气与电子工程学院空穴——多数载流子电子——少数载流子3.P型半导体第1章半导体二极管及应用电路4.PN结的形成在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结PN结的形成电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1)PN外加正向电压(正偏)外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN电气与电子工程学院5.PN结的单向导电性第1章半导体二极管及应用电路空间电荷区反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS2)PN外加反向电压(反偏)第1章半导体二极管及应用电路1.3二极管1.3.1二极管的基本结构1.3.2二极管的伏安特性1.3.3二极管的参数、型号及选择1.3.4二极管的分析方法1.3.5二极管的应用电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1.3.1二极管的基本结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。二极管的结构示意图电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面