晶體二極管 講義

1、第一章第一章 晶體二極管晶體二極管(Diode)內(nèi)容：內(nèi)容：1、簡(jiǎn)單討論半導(dǎo)體的特性（熟悉常用術(shù)語(yǔ)）、簡(jiǎn)單討論半導(dǎo)體的特性（熟悉常用術(shù)語(yǔ)）2、二極管特性、二極管特性模型分析法（分段線性模型）模型分析法（分段線性模型）應(yīng)用電路應(yīng)用電路整流整流穩(wěn)壓穩(wěn)壓限幅限幅1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)硅（硅（Si） 鍺（鍺（Ge） 砷化鎵（砷化鎵（GaAs）簡(jiǎn)化模型硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型4444共價(jià)鍵共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子A(a)(b)價(jià)電子價(jià)電子 硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)原子晶陣四面體結(jié)構(gòu)一 本征半導(dǎo)體(Intrinsic Semiconductors)完全純凈,結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。T

2、=0K（273），本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可移動(dòng)的帶電粒子（載（載流子）流子），不能導(dǎo)電，相當(dāng)于絕緣體。1、本征激發(fā) T（或光照）價(jià)電子獲得能量掙脫共價(jià)鍵束縛自由電子共價(jià)鍵中留下空位（空穴）空穴 帶正電能移動(dòng)（價(jià)電子填補(bǔ)空位的運(yùn)動(dòng)） 載流子本征激發(fā)產(chǎn)生兩種載流子 （自由）電子空穴 特征特征：兩種載流子成對(duì)出現(xiàn)，數(shù)目相等。復(fù)合復(fù)合：本征激發(fā)逆過(guò)程（電子空穴相遇釋放能量成對(duì)消失）2、熱平衡載流子濃度niT一定時(shí)，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)載流子濃度ni是一定的。 ni=p0 =n0 p0 熱平衡空穴濃度 n0 熱平衡電子濃度 ni是溫度的函數(shù)。Tni 室溫（T=300K）時(shí)，硅的 ni1.510 1

3、0cm -3， 鍺的 ni2.410 13cm -3 ， 硅的原子密度為4.961022 cm -3 ， ni僅占原子密度三萬(wàn)億分之一。問(wèn)題：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很低。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體（Doped Semiconductor） 摻入一定量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電能力顯著增加。1、N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素（磷），形成多電子、少空穴的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：電子 少數(shù)載流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0Nd（Ndni） 施主雜質(zhì)（Donor）二、雜質(zhì)半導(dǎo)體（Doped Semiconductor） 摻入一定量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電能力顯著增加。1、N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素（磷），形成多電子、少空

4、穴的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：電子 少數(shù)載流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0Nd（Ndni） 施主雜質(zhì)（Donor）2、P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素（硼），形成多空穴、少電子多空穴、少電子的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 多數(shù)載流子（多子）：空穴 少數(shù)載流子（少子）：電子受主雜質(zhì)（Acceptor）p0=Na+n0Na（Nani）結(jié)論：多子的濃度由雜質(zhì)濃度決定；少子的濃度與溫度有關(guān)；半導(dǎo)體器件溫度特性差的根半導(dǎo)體器件溫度特性差的根源源2、P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素（硼），形成多空穴、少電子多空穴、少電子的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 多數(shù)載流子（多子）：空穴 少數(shù)載流子（少子）：電子受主雜質(zhì)（Acceptor）p0

5、=Na+n0Na（Nani）結(jié)論：多子的濃度由雜質(zhì)濃度決定；少子的濃度與溫度有關(guān)；半導(dǎo)體器件溫度特性差的根半導(dǎo)體器件溫度特性差的根源源三、漂移和擴(kuò)散（兩種導(dǎo)電機(jī)理）三、漂移和擴(kuò)散（兩種導(dǎo)電機(jī)理）1、漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)的作用下的定向運(yùn)動(dòng)。由此產(chǎn)生的電流漂移電流（Drift Current）2、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于載流子濃度分布不均勻而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)產(chǎn)生的電流擴(kuò)散電流（Diffusion Current）小結(jié)：小結(jié)：關(guān)鍵詞：載流子目標(biāo)：增加載流子（增加導(dǎo)電能力）主線：本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體P型：多空穴p0NaN型：多電子n0Ndni=p0 =n01.2 PN結(jié)（半導(dǎo)體器件最基本單元）結(jié)（半導(dǎo)體器件

6、最基本單元）一、PN結(jié)形成 PN結(jié)的形成(a)初始狀態(tài); (b)平衡狀態(tài); (c)電位分布 一邊是P型半導(dǎo)體，一邊是N型半導(dǎo)體，交界面交界面處形成的特殊結(jié)構(gòu)PN結(jié)載流子濃度差很大多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（ID）交界面處形成空間電荷區(qū)（PN結(jié)）內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)（IT方向與ID相反）達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（ID = IT）總電流為零PN結(jié)寬度一定 內(nèi)建電位差VB2lnidaTBnNNVV qkTVT熱電壓熱電壓 室溫mVVT26硅 VB=0.50.7V 鍺VB 0.20.3VTVB(負(fù)溫度系數(shù)) -2.5mV/二、二、PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性PN結(jié)在不同的運(yùn)用狀態(tài)下表現(xiàn)出的性能1、正向特性（

7、正向偏置）、正向特性（正向偏置）外電壓與內(nèi)電場(chǎng)方向相反PN結(jié)電位差PN結(jié)寬度總電場(chǎng)破壞原來(lái)的平衡擴(kuò)散加劇，漂移減弱形成較大的正向電流2、反向特性（反向偏置）、反向特性（反向偏置）外電壓與內(nèi)電場(chǎng)方向相同PN結(jié)電位差PN結(jié)寬度總電場(chǎng)破壞原來(lái)的平衡阻止擴(kuò)散，加劇漂移形成非常小小的反向電流（不計(jì)）IS：反向飽和電流，幾乎與外加電壓大小無(wú)關(guān)與外加電壓大小無(wú)關(guān)硅 IS（10 -910 -16）A鍺 IS（10 -6 10 -8）A IS是溫度敏感的參數(shù) T IS PN反向運(yùn)用3、伏安特性、伏安特性根據(jù)理論分析，PN結(jié)的電流與端電壓存在如下關(guān)系:) 1(TVVSeII正偏且 （或V100mV）上式簡(jiǎn)化為：T

8、VV TVVSeII 反偏且 時(shí)，TVV SIIPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性工程上定義：導(dǎo)通電壓， 用VD(on)表示，認(rèn)為V VD(on)時(shí)，PN結(jié)正向?qū)?，電?I 有明顯數(shù)值，而V6V時(shí)為雪崩擊穿； V（BR） VZ。R為限流電阻，RL為負(fù)載。 三、限幅電路三、限幅電路 限幅電路是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路。限幅電路的傳輸特性如圖。IHILVV下門(mén)限（Lower Threshold）上門(mén)限（Upper Threshold）IOIHIILAvvVvVminOOILIVvVvmaxOOIHIVvVv1、利用二極管的正向?qū)ㄌ匦詫?shí)現(xiàn)限幅、利用二極管的正向?qū)ㄌ匦詫?shí)現(xiàn)限幅 當(dāng)vIV+VD(on)=2.7V時(shí)，D導(dǎo)通，vo=2.7V，即將vO的最大電壓限制在2.7V上；當(dāng)vI 2.7V時(shí)，D截止，二極管支路開(kāi)路， vo = vI。圖(b)畫(huà)出了輸入正弦波時(shí)，該電路的輸出波形。可見(jiàn)，上限幅電路將輸入信號(hào)中高出2.7V的部分削平了。 上限幅電路2、利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)限