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  第一章 晶 体 二 极 管 授课教师:王 欢 晶体二极管 ? 结构示意图 ? 典型的封装形式 1.1 半导体物理基础知识 半导体:有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和 一些硫化物、氧化物等。 半导体的特点: ?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。 半导体的电阻率为10-3~10-9 ?*cm。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 1.1.1 本征半导体 对于半导体中常用的硅和锗,它们原子的最外 层电子都是4个,即有4个价电子。 Si Ge 一、 本征半导体 硅或锗晶体的四个价电子分别与周围的四个原子的价 电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共 有,并为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。 如图所示 : 它们称为单晶,是制造半导体的基本材料。 本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%,常称为“九个9”。它在物理结 构上呈单晶体形态。 二、 本征激发和复合 当导体处于热力学温度0 K时,导体中没有自由电子。 当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的 价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由 电子。这一现象称为本征激发(也称热激发)。自由电 子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位, 原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子 的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 空穴 +4 +4 自由电子 +4 +4 束缚电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成 对出现的,称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去,称为复合, 本征半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定 向运动也可形成空穴电流,它们的方向相反。 本征半导体中电流由两部分组成: 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导 电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外 部因素,这是半导体的一大特点。 三、 热平衡载流子浓度 温度一定时,半导体中的本征激发和复合会在某一平 衡载流子浓度值上达到动态平衡。 ? Eg0 2 kT 此时热平衡载流子浓度为: ni ? AT 3 / 2 e 1.1.2 杂质半导体 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。成为杂质半导体 N 型半导体:掺入五价元素的杂质,可使晶体自由 电子浓度大大增加,也称为(电子型 半导体)。 P 型半导体:掺入三价元素的杂质,可使晶体空穴 浓度大大增加,也称为(空穴型半导 体)。 一、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或 锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷 原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这 个电子几乎不受束缚,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。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。 多余 电子 N 型半导体中的 自由电子浓度大 大增加,而空穴 浓度由于和自由 电子复合机会变 大,浓度反而变 小。 +4 +5 +4 +4 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)。 二、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或 铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼 原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形 成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚 电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。 P型半导体中的空 +4 +4 穴浓度大大增加, 而自由电子浓度 由于和空穴复合 +3 +4 机会变大,浓度 硼原子 反而变小。 P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。 空穴 三、多子和少子热平衡浓度 不论P型或N型半导体,掺杂越多,多子数目就越多, 少子数目就越少。 I. 当温度一定时,两种载流子的热平衡浓度值的乘积 恒等于本征载流子浓度值ni的平方 n0 * p0 ? ni 2 II. 半导体同时又处于电中性状态。 N型半导体: n0 ? p 0 ? Nd ? Nd n0, p0分别为自由电子和空穴的浓度; Nd为施主杂质浓度 N型半导体: n 0 ? Nd 与温度T无关 ni2 ni2 p0 ? ? 与温度T有关 n0 Nd T升高, ni升高, p0升高, 当p0≈n0时, 杂质半导体变为 类似的本征半导体. P型半导体具有相似的性质. 少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性 差的主要原因. 1.1.3 两种导电机理—漂移和扩散 一、 漂移和漂移电流 在外电场作用下,载流子将产生定向运动,其中自由电子逆电场 运动,空穴顺电场运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动,由 它产生的电流称为漂移电流。 迁移率:单位场强下的平均漂移速度,与温度、掺杂浓度等有关。 二、扩散和扩散电流 N型硅半导体 n(x) no P(x) po x 如图所示,半导体中任一假想面 两侧存在浓度差,则从浓度大的 一面流向浓度小的一面的载流子 将多于从浓度小的一面流向浓度 大的一面的载流子,从而造成载 流子沿x方向的净流动。这种由浓 度差而引起的载流子的运动称为 扩散运动,并形成相应的扩散电 流。扩散电流是半导体区别于导 体的特有电流。 1.2 PN 结 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同 PN结的产生: 的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 1.2.1 动态平衡下的PN结 一、阻挡层的形成 少子漂移运动 P 型半导体 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + 内电场E + + + + + + + + N 型半导体 + + + + + + + + + + + + 当扩散达到一定程度时, 空间电荷区增宽,当其产 生的电场增大到一定数值 时,多子扩散和少子漂移 达到动态平衡,此时通过 空间电荷区和PN结的净电 流都为零 多子扩散运动 二、内建电位差 P+ V N 达到动态平衡时,由内建电场E产 生的电位差称为内建电位差VB 由动态平衡条件,可求得: VB ? VT ln( NaNd / ni ) 2 VB - xp xn Na,Nd分别为PN结两边的搀杂浓度 ni为本征载流子浓度。VT=kT/q称为 热电压,室温时,VT?26mV。每升 高1? C,V 约减小2.5mV。 三、阻挡层宽度 阻挡层向低掺 杂一侧扩展: 动态平衡下阻 挡层宽度为: xn Na ? xp Nd 2? Na ? Nd 2 l 0 ? xn ? xp ? ( VB ) q NaNd 1 1.2.2 PN结的伏安特性 PN 结加上正向电压、正向偏置: P 区加 正电压,N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置: P区加 负电压, N 区加正电压。 PN结具有单向导电性,若外加电压使电 流从P 区流到N区,PN结呈低阻性,所 以电流大;反之是高阻性,电流小。 一、PN 结正向特性 变薄 - + + + + 内电场 + P - - - N - 阻挡层宽度减小, 打破动态平衡;多 子扩散加强,形成 较大的扩散电流 R 外电场 E PN结加正向偏置V: 内建电场VB减小到VB-V 阻挡层宽度减小 E减小 漂移电流 IT减小, 则IDIT, 形成较大的多子扩散电流 电流的连续性: 外电场从P区拉出电子, 同时向N区补充电子,二 者相等,维持电流的连续. 二、PN 结反向特性 变厚 - + + + + 内电场 外电场 _ P - - - 外加电压使得阻挡层宽度增加,打 破动态平衡少子漂移加强,形成一 定的漂移电流. N R E 少子漂移电流几乎与反偏电压的大 小无关, 称为反向饱和电流,记为IS. 掺杂浓度越大,少子越少, IS越小,温 度越高,少子浓度越高, IS越大,同时 IS的值与PN结面积成正比. PN结加反向偏置V: 内建电场VB增加到VB+V 阻挡层宽度增加 E变大 漂移电流 IT增加, 则ITID, 形成较大的少子漂移电流 电流的连续性: 外电场从N区拉出电子, 同时向P补充电子,二 者相等,维持电流的连续. 三、伏安特性 PN结特性的指数表达: ? IS(e I V VT V VT ? 1) 当VVT时, ? ISe I 当V为负值,且VVT时,I ? ?IS 即为反向饱和电流 定义导通电压Von: 硅PN结:Von = 0.6~0.8 V 锗PN结:Von = 0.2~0.3 V 当V Von时,PN结导通, 呈低阻特性; 当V Von时,PN结截止, 呈高阻特性。 1.2.3 PN结的击穿特性 一、雪崩击穿 由于反向电压增大,阻挡层内部电场增强,阻挡层中载流 子动能增大;当增大到一定程度,载流子获得的动能足于把共 价键中的价电子碰撞出来;在强电场作用下,新的载流子又碰 撞出更多的载流子;如此产生连锁反应,使得PN结反向电流急 剧增大,且增大速度极快,所以叫做雪崩击穿。 雪崩击穿一般出现在搀杂浓度较低的PN结中,击穿电压较高。 二、齐纳击穿 在搀杂浓度很高的PN结中,阻挡层很薄,此时两边加上不大 的反向电压,就能产生很强的电场,足以把价电子直接从共价键 中拉出来;此过程称为场致激发;它可以产生大量的载流子,呈 现反向击穿特性,称为齐纳击穿。 齐纳击穿一般出现在高搀杂的PN结中, 击穿电压较低。 三、稳压二极管 稳压二极管特性: PN结被击穿后,尽管其反向电流 急剧增大,但是PN结两端的电压几乎不变;所以可制 成稳压二极管,一般为齐纳二极管。 稳压二极管符号: I 稳压二极管伏安特性曲线: 最小稳定电流: 保证可靠击穿所允许的最小反向 电流。 最大稳定电流: 保证稳压管安全工作所允许的最 大反向电流;当电流大于这个电 流时,加到PN结中的功率足以 使PN结过热而烧毁。 稳定电压 Vz V Izmin最小稳定电流 Iz Izmax 最大稳 定电流 1.2.4 PN结的温度特性 一、PN结伏安特性的温度特性 温度升高,IS增大,温度每升高10℃, IS约增加 V 一倍;PN结正偏时,虽然 eV 随温度升高而减小, 但不如IS随温度升高而增大得快,因而PN结的正 向电流随温度升高而略有增大,与温度每升高1 ℃ ,Von约减少2.5mV等价。 T 最高工作温度: Si:150~200°C Ge:75~100°C 二、击穿电压的温度特性 雪崩击穿: 温度升高,载流子热骚动加强,发生碰撞 而电离的机率减少,此时应加大反向电压, 才能发生雪崩击穿,击穿电压具有正的温 度系数 。 齐纳击穿: 温度升高,价电子能量状态增大,价电子 更容易挣脱共价键束缚,则更容易发生齐 纳击穿,击穿电压具有负的温度系数 。 1.2.5 PN结的电容特性 PN结有电荷量随电压变化的非线性电容特性 一、势垒电容 ?Q dQ 定义: CT ? ? ? V ?V dV 其值为伏库特性在电压V上的斜率 表达式为: CT ? CT (0) V n (1 ? ) VB VB为内建电位差,n为常数,称 为变容指数,其值与PN结的工艺 结构有关。 二、扩散电容 外加电压变化同时改变阻挡层外中性区内贮存的非平 衡载流子,当外加电压增加?V时,P区和N区存储的电荷量 相应增加?Q, 相当于在PN结上并联了一个电容。 定义: CD ? kD( I ? IS) 三、PN结电容 PN结总增量结电容: Cj ? CT ? CD 外加正向电压时: CDCT, 外加反向电压时: CD?0, Cj ? CD Cj ? CT 四、变容二极管 PN结外加反向电压时,主要是一个由势垒电容构成的较理想的 电容器件;可制成变容二极管。 1.2.6 PN结的开关特性 一、理想开关特性 PN结正偏,呈现出低阻特性; PN结反偏,呈 现出高阻特性。忽略导通电压Von和反向饱和电流IS 的影响,PN结具有理想开关的特性,可以制作成开 关二极管使用。 二、开关特性的非理想性 1.由于二极管导通电压VD(on)的存在,只有加在二极 管两端的正偏电压大于VD(on)时,才能认为二极管作为 开关导通; 2.由于二极管导通后呈电阻特性,只有在负载电阻R 远大于二极管导通电阻时,才能忽略该导通电阻的影 响; 3.二极管反偏时,二极管中的电流并不等于0,约为 ?IS,此时二极管并不能完全切断电路; 4.由于PN结电容的存在,二极管开关的导通和截止 都需要一定的时间。 三、开关二极管参数 最大正向电流 ,最大反向工作电压 ,反向击穿电压 , 反向电流 ,零偏结电容 ,反向恢复时间 1.3 晶体二极管的分析方法 1.3.1 晶体二极管模型 一、晶体二极管的数学模型 I ? IS(e V ? IrS nVT ? 1) I 或 V ? IrS ? nVT ln(1 ? ) IS I /mA 二、伏安特性曲线 V = IrS V = IrS + VTln(1+I/IS) V = VTln(1+I/IS) ?IS VD(on) V /V 三、等效电路模型 1. 大信号电路模型 二极管的非线性主要表现在单向 导电性上,伏安特性可以用用左 图的两段折线近似表示,其中RD 称为二极管的导通电阻。在对电 路进行直流或者大信号分析时,二 极管可以用左下图的大信号电路 模型等效。 二极管大信号电路模型 理想二极管伏安特性和电路符号 2. 小信号电路模型 rj:增量结电阻或肖特基电阻 1 ?I ? ? Q ? [ IS(e VT ? 1)] V ?VQ rj ?V ?V V IQ ? IS IQ ? ? 或 VT VT VT rj ? IQ 1.3.2 晶体二极管电路分析方法 一、图解分析法 R + + R I+?I + I+?I + VDD - VDD D - V+?V V+?V D ?VDD+ ?VDD+ (b) - (a) ?V ? ?V ? VDD ? ?VDD ? ( I ? ?I ) R ? ? I ? ?I ? f (V ? ?V ) 采用图解法求解时,上述方程组的求解过程 就是寻找上述两式所表示曲线. 直流分析 令?VDD=0,相应的?V和?I都为0,方程组简化为 ?V ? VDD ? IR ? ? I ? f (V ) 下图中Q点即为方程组的解: 通常将管外电路方程所描绘的直线称为晶体二极管的负载线. 交流分析 在(VDD +?VDD)的作用下,管外电路方程代表的负载线/R、且随?VDD变化而平行移动的直线。若设 ?VDD = Vmsin?t,负载线将随着?t的变化而平行移动,这些 负载线和二极管伏安特性曲线的交点也呈现正弦变化,而交 点对应的电压和电流就是?t取不同值时得到的二极管上的响 应,即为所求。 二、等效电路分析法 1. 直流分析 例:如图所示,两个二极管的VD(on)为0.7V, RD=100?,试画 出Vo随VI变化的传输特性。 解: I25V时,两二极管截止,Vo=VDD2=25V V VI25V时,D1导通, D2仍然截止时: VI ? VDD2 VI ? 25V 25V ? 2VI I1 ? ? VO ? VDD2 ? I 1R 2 ? 3 R1 ? R 2 300 *10 ? 3 VO=VDD1时, D2导通, VO=100V, VI ? (3VO ? 25) / 2 ? 137 .5V 2. 交流分析 例:如图所示电路,已知IQ=0.93mA, R=10k?, rs=5 ?, ?VDD= sin2?*100t(V), 求?V。 解:将a图用小信号模型表示,如图b所示。 ?I ? ?VDD /(R ? rs ? rj) ? ?VDD / R ? 0.1sin 2π *100t (mA ) ?V ? ?I (rs ? rj) ? 3.5 sin 2π *100t (mV ) VT rj ? ? (26 / 0.93)? ? 30? IQ 1.4 晶体二极管的应用 1.4.1 整流与稳压电路 电源设备组成框图 一、整流电路 半波整流电路 输入、输出波形 二、稳压电路 稳压管 限流电阻R要合理选择,其最小值和最大值分别由 下列关系式决定: 基本稳压电路 符号 大信号模型 小信号模型 VImax ? Vz ? I L min ? I Z max Rmin VImin ? Vz ? I L max ? I Z min Rmax 1.4.2 限幅与钳位电路 一、限幅电路 双向限幅电路: 具有上、下门限的限幅电路 单向限幅电路: 仅有一个门限的限幅电路 双向限幅电路及其限幅特性: 限幅特性 双向限幅电路 采用稳压管的双向限幅电路: 二、钳位电路 正峰钳位电路: 负峰钳位电路: 1.4.3 二极管与门、或门 二极管与门电路: 二极管或门电路:

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