模电-晶体二极管及应用电路

1/661.绪论2.晶体二极管及应用电路(3.5学时）3.晶体三极管及应用电路4.场效应管及基本放大电路5.放大电路的频率响应6.负反馈放大电路7.双极型模拟集成电路8.双极型模拟集成电路的分析与应用9.MOS模拟集成电路（自学）10.直流稳压电源电路课程主要内容2/66部分半导体二极管图片3/66问题：1.二极管特性与电阻特性有何区别？2.二极管电阻是大还是小？3.二极管具有怎样的物理结构？4.二极管有哪些类型？5.二极管有哪些典型应用？主讲:刘颖第二章晶体二极管及应用电路4/662.1半导体基础知识2.2晶体二极管2.3二极管主要应用第二章晶体二极管及应用电路5/662.1半导体基础知识2.1.1半导体特性2.1.2本征半导体2.1.3杂质半导体2.1.4PN结6/662.1.1半导体特性导体:导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-22～10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体:半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体元件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏元件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏元件7/662.1.2本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度为99.9999999%，“九个9”；它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。说明：硅原子有14个自由电子锗原子有32个自由电子8/66锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流挣脱原子核束缚的电子称为自由电子2.1.2本征半导体高低9/662.本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，它们是成对出现的。3.电子流和空穴流：在外电场的作用下，自由电子和空穴和的定向运动产生电流，分别称为电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的；方向与外电场方向相反；自由电子始终在导带内运动。空穴流价电子递补空穴形成的；方向与外电场方向相同；始终在价带内运动。注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。1.载流子:运载电荷的粒子，如自由电子和空穴，统称为载流子。10/66本征半导体的载流子的浓度电子浓度ni:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积内的空穴数。G03/2k2iioETnpATeA0—与材料有关的常数EG0—禁带宽度T—绝对温度k—玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi2.载流子的浓度与T、EG0有关11/66载流子的产生与复合载流子的产生率g：即每秒成对产生的电子空穴的浓度。载流子的复合率R：即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=RR=rnipi其中r—复合系数，与材料有关。12/662.1.3杂质半导体杂质半导体杂质半导体特点：掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。13/66N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质原子因提供自由电子而带正电荷成为正离子。2.1.3杂质半导体14/66P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。15/66举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3，常温下锗本征半导ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个磷原子。则施主杂质浓度为：ND=4.4×1018/cm3（比ni大十万多倍）杂质半导体小结：①载流子的浓度主要取决于多子（即杂质）的浓度。尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。故使导电能力激增。②半导体的掺杂、温度等可人为控制。16/66结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。其中：ni表示本征材料中电子的浓度pi表示本征材料中空穴的浓度。n·p=ni·pi=ni2=C17/66一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结的反向击穿特性五、PN结电容六、PN结的电致发光七、PN结的光电效应2.1.4PN结18/66概念：扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。漂移运动：载电流（自由电子和空穴）在电场力的作用下产生的定向移动，称为漂移运动。P区N区一、PN结的形成19/66载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流P区N区扩散运动内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移产生了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡耗尽层P区N区空穴自由电子负离子正离子正离子区负离子区PN结20/66U内电场的建立，使PN结中产生了电位差，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、PN结的接触电位差硅：U≈0.7V锗：U≈0.3V21/66三、PN结的伏安特性1.PN结加正向电压时的导电情况原理：外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结正偏：外接电源E后，P区的电位高于N区的电位，称为外接正向电压，也称为正向偏置，简称正偏。内外结论：PN结正偏时，呈现低阻性。22/662.PN结加反向电压时的导电情况原理：外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。PN结反偏：P区的电位低于N区的电位，称为外接反向电压，也称为反向偏置，简称反偏。内外结论：PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。23/66问题：有必要加电阻R吗？结论：PN结具有单向导电性24/66PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式式中Is(反向)饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；q为电子的电量；uD为PN结两端的电压；iD为PN结的电流；当T=300k（室温）时，UT=26mv由半导体物理可推出：DTDS(1)uUiIe3.PN结电流方程阳极+-iDuD阴极25/66DTDS(1)uUiIe(2)当加反向电压时(1)加正向电压时(uDUT)DTDSuUiIeDSiIPN结电流方程iDuD(UBRuD0)常温时UT=26mV26/66iDuD反向击穿概念PN结上所加的反向电压达到某一数值时(uDUBR），反向电流激增的现象。四、PN结的反向击穿特性①可逆击穿②不可逆击穿击穿类别27/66雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。掺杂浓度小的二极管容易发生。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。掺杂浓度大的二极管容易发生。不可逆击穿热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而永久性损坏。可逆击穿击穿28/66五、PN结的电容PN结的电容效应：PN结偏置电压的变化将导致PN结空间电荷区的电荷数量及其两侧载流子的数目均发生变化，现象与电容相似。按照产生机理，有势垒电容和扩散电容。势垒电容CB：当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。注意：PN结为反偏时较大V29/66•注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。30/66PN结的电致发光如果在PN结加正偏电压UD，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。ED五、PN结的电致发光PN31/66PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，空穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。五、PN结的光电效应32/662.2.1二极管的结构类型2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的等效电阻2.2.4二极管主要参数2.2.5二极管模型2.2.6特殊二极管2.2.7二极管应用2.2晶体二极管33/662.2.1晶体二极管的结构类型在PN结上加上封装和引线，就成为晶体二极管，简称二极管。二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二极管符号正极负极34/66伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，iDOuD1.当加正向电压时PN结电流方程为：DTDS(1)uUiIe2.当加反向电压时DTDSuUiIei随u↑呈指数规率↑iD≈-Is电流iD基本不变2.2.2晶体二极管的伏安特性+uD-iD35/66晶体二极管的伏安特性①正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：UR=0.5--0.6V;锗：UR=0.1--0.2V。②加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定。③当反压增大UBR时再增加,反向电流激增,发生反向击穿,UBR称为反向击穿电压。实测伏安特性①②③材料门限电压导通电压Is/μA硅0.5～0.6V0.7V0.1锗0.1～0.2V0.3V几十UBRUR36/66温度对二极管特性的影响阴极阳极+-二极管的特性曲线二极管符号iDuDiDuD5020oo温度升高，开启电压UR减小，反向电流IS增大。37/66非线性电阻用直流电阻(也称静态电阻）和交流电阻（又称动态电阻或微变电阻）来描述二极管的电阻特性。1.直流（静态）电阻RD的计算方法定义二极管两端的直流电压与电流之比QDQURIiDiDuDuDD2.2.3二极管的等效电阻DTDS(1)uUiIeUQIQ硅管UQ≥0.7V,锗管UQ≥0.3V。38/66直流电阻的求解方法：借助于静态工作点Q（IQ，UQ）来求。iDEDDRLuD方法一：解析法列写二极管