3002大班文件XXXX级电子电路一讲稿(新)12

1.1半导体基础知识半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料；原子之间的共价键键能较弱。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。GeSi1.1.1本征半导体概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。本征激发过程产生两种载流子：①自由电子②空穴复合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失的过程。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体中载流子的浓度：)2exp(0230kTETApngii式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度；A0是与半导体材料有关的常数；k是波尔兹曼常数，k＝8.63×10-5(eV.K-1)；Eg0是T＝0K时的禁带宽度。结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同，具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系。1.1.2杂质半导体概念：掺入了杂质元素的半导体。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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。两种类型的杂质元素：①施主杂质（高价元素，提供电子）②受主杂质（低价元素，提供空位）1.1.2.1N型半导体概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质）使半导体中的电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。+4+4+5+4多余电子磷原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。1.1.2.2P型半导体概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质）使半导体中的空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2.3杂质半导体中的载流子浓度结论：①杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的乘积等于同温度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方。②杂质半导体中，多子的浓度近似等于掺杂浓度，少子浓度随温度升高而迅速增大。nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=ND+pnpp=NA+npN型半导体：P型半导体：式中：nn表示N型半导体中自由电子浓度，pn表示N型半导体中空穴浓度，np表示P型半导体中自由电子浓度，pp表示P型半导体中空穴浓度，ni，pi分别表示本征半导体中自由电子和空穴浓度，ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂质浓度1.1.3载流子在半导体内的运动1.1.3.1载流子在电场作用下的漂移运动概念：在外加电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动Jpt=μpqpEJnt=-(-q)nμnE=μnqnEJt=Jpt+Jnt=(pμp+nμn)qE式中：Jpt表示空穴漂移电流密度；Jnt表示电子漂移电流密度；Jt表示漂移电流密度；μn表示自由电子迁移率；μp表示空穴迁移率。1.1.3.2载流子在浓度梯度作用下的扩散运动概念：在浓度差的作用下，自由电子和空穴产生的定向运动dxxdpqDJppD)(dxxdnqDdxxdnDqJnnnD)()()(式中：JnD表示电子电流密度；JpD表示空穴电流密度；Dn表示自由电子扩散率；Dp表示空穴扩散率。1.2PN结与晶体二极管在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。1.2.1PN结的动态平衡过程和接触电位差P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多子）向N区扩散，N区的自由电子（多子）向P区扩散，在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场，分别称为接触电位差和内建电场，内建电场由N区指向P区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的漂移运动，漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等，这种平衡称为动态平衡，这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空间电荷区宽度均处于稳定值，这时我们认为PN结已经形成，并把P、N的过渡带称为PN结，PN结的宽度为空间电荷区的宽度。PN结的接触电位差：pnTnpTnnVppVVlnlnφ22lnlniADTinpTnNNVnnpVVφT=300K时，锗的Vφ≈0.2~0.3V，硅的Vφ≈0.6~0.8VP型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区V01.2.2PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管欧姆接触：通过隧道效应，消除金属半导体势垒的接触方式1.2.2.1单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。二极管基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。PN结反向偏置－－－－++++内电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE外电场1.2.2.2伏安特性伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系式或曲线。二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示：)1(expTDsDVvIi式中：iD表示流过二极管的电流；vD表示二极管两端的电压，正向偏置为正；Is表示反向饱和电流（硅：10-9～10-15A）。二极管的伏安特性曲线：UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.2.3二极管的电阻直流等效电阻RD：DDDIVR交流（动态）电阻rd：ddQDDdivdvdir22)(1DTQDDdIVdvdir1)(1.2.2.4二极管的交流小信号模型1.2.3PN结的反向击穿特性与高稳定性埋层齐纳稳压管Izmin为稳压管DZ的最小允许电流，Izmax为最大允许电流，输入电压vI在VImin～VImax变化时，要使DZ正常工作，则限流电阻R必须满足下列关系：maxmaxmaxImLZZLZaxRVIRVVR①在VImax和Ilmin时，IZ应不超过最大允许电流Izmax：minminminImLZZLZinRVIRVVR②在VImin和Ilmax时，IZ应不低于最小允许电流Izmin：稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。齐纳击穿与雪崩击穿齐纳击穿：掺杂浓度很高（例如ND=NA=1018/cm3）的PN结很薄，例如宽度只有0.04μm，只要对PN结加上不大的反向电压，就可以产生很强的电场，例如反压4V，场强可达106V/cm。强电场可强耗尽区内原子共价键中的电子拉出，自由电子和空穴成对产生，反向电流剧增。齐纳击穿电压较低（6V）雪崩击穿：掺杂浓度较低的PN结较厚，在较大的反向电压时形成漂移电流的少子在耗尽区内获得加速，动能越来越大，在反向电压大到漂移少子的动能足以撞击出耗尽区内原子的共价键电子，产生自由电子和空穴，新生电子又撞击出其他自由电子，反向电流剧增。雪崩击穿电压较高（6V)埋层齐纳击穿稳压管：齐纳管被掩埋在顶层硅晶体下面，噪声很小，温度稳定性很高（5）最大允许功耗maxZZZMIVP稳压二极管的参数:（1）稳定电压VZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻ZZIVZr（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。1.2.4PN结的结电容特性与变容二极管PN结电容CJ包括势垒电容CT和扩散电容CD即：CJ=CT＋CD1.2.4.1势垒电容CTDDTvQdvdQCΔΔ反偏电压变化引起耗尽区厚度变化，从而引起PN结中的电荷量变化，这种电容效应称为势垒电容。式中：CT表示势垒电容数值；Q表示PN结的电荷量；vD表示二极管的偏置电压突变结CT与反偏电压的关系式：nDTTVvCC)1()0(φ(n=0.5)式中：CT(0)表示vD=0时的势垒电容。Vφ表示接触电位差1.2.4.2扩散电容CDPN结正偏时，载流子在扩散过程中存在电荷积累，正偏电压大，积累电荷多，反之积累电荷少，这种电容效应称为扩散电容。)(SDTDIIVC式中：τ表示非平衡载流子的平均寿命。1.2.5PN结的温度特性1.PN结正向电压的温度系数αvD保持二极管正向电流不变，温度变化1℃所引起的vD变化αvD≈-(1.9～2.5)mV/℃2.PN结的反向饱和电流随温度按指数规律变化10002)()(TTSSTITI不论是硅管还是锗管，反向电流大约随温度每变化10℃而变化一倍。锗管的IS（T0）要比硅管大3～6个数量级1.2.6二极管的主要常数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VR一般是VBR的一半。3.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流值。稍大于反向饱和电流IS。4.最高工作频率fM由PN结电容决定的参数，二极管的工作频率高到一定的程度，CJ对PN结起的旁路作用不容忽略，工作频率超过fM，二极管的单向导电性能变坏。势垒电容和扩散电容的综合效应rdRLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo负载电阻：要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例5mA20mA,V,10minmaxzzzIIV稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。mA25maxLZzRVIi10252.1RViRuzi——方程1uoiZDZRiLiuiRL令输入电压降