模拟电子简明教程 第1讲 11-12

1第一节半导体的特性第一节半导体的特性本征半导体杂质半导体第1章半导体器件2第一节半导体的特性1.半导体(semiconductor)共价键Covalentbond半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsicsemiconductors)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+43第一节半导体的特性2.本征半导体(intrinsicsemiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K，）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。4第一节半导体的特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子Freeelectron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。5第一节半导体的特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子-空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子-空穴对两种载流子浓度相等6第一节半导体的特性1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)二、杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子7第一节半导体的特性+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子Majoritycarrier少数载流子Minoritycarrier5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。8第一节半导体的特性+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2.P型半导体(P-typesemiconductor)当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。9第一节半导体的特性硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子10第一节半导体的特性在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结11第二节半导体二极管第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管12第二节半导体二极管-++++++++++++-----------1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场Uho又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移13第二节半导体二极管正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性☻加正向电压+-U-++++++++++++-----------RE耗尽层内电场Uho-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forwardbiasPN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。动画14第二节半导体二极管+-U-++++++++++++-----------RE称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，E超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场Uho+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。☻加反向电压I反向电流IS对温度十分敏感。15第二节半导体二极管二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。二极管的符号阳极anode阴极cathode16第二节半导体二极管302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性17第二节半导体二极管当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mAO二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：♥正向特性18第二节半导体二极管反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U|UT则I≈-IS式中：IS为反向饱和电流UT是温度电压当量，常温下UT近似为26mV。♥反向特性)1(TSUUeII24-I/μAI/mAU/V2010O若UUT则TSUUeII19第二节半导体二极管三、二极管的主要参数♥最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。♥最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。20第二节半导体二极管室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。♥最高工作频率fM值主要决定于结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。♥反向电流IR21第二节半导体二极管二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。♥势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。♥扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。22第二节半导体二极管[例1.2.1]已知Ui=Umsinωt，画出uo和uD的波形VDR+-+-uiuo+-uDioUmωtuooωtuDoui＞0时二极管导通，uo=uiuD=0ui＜0时二极管截止，uD=uiuo=0-UmioUmωtuio23第二节半导体二极管[例1.2.2]二极管可用作开关EVDESEVDES正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。24第二节半导体二极管四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：ΔUΔI+-IUO稳压管的伏安特性和符号ΔUΔI值很小有稳压特性阴极阳极minZImaxZI25第二节半导体二极管1.稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流Iz，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rz，稳压管两端电压和电流的变化量之比。rz=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU，稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗Pz，电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：26第二节半导体二极管使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UoRLVDZRUiIRIoIZ++--稳压管电路1.稳压管必须工作在反向击穿区，2.稳压管应与负载RL并联，3.必须限制流过稳压管的电流IZ，有限流电阻R27第二节半导体二极管[例1.2.3]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻R。UoRLVDZRUiIRIoIZ++--+-UZ29第二节半导体二极管+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]有两个稳压管VD1和VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为UD=0.6V，将它们串联可得到几种稳压值。U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V30第二节半导体二极管END