半導(dǎo)體材料及二極管

1、半導(dǎo)體材料及二極管第1頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二1、本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）純凈（7N）且具有完整晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體基本特性第2頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二硅、鍺的面心立方體套和晶格結(jié)構(gòu)按立方體組成晶體點(diǎn)陣，任何一個原子都處在一個立方體的中心，相鄰的四個原子則位于立方體的四個頂點(diǎn)。第3頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二硅、鍺晶體形成共價鍵結(jié)構(gòu):+4+4+4+4+4價電子、束縛電子+4表示除去價電子后的原子第4頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49

2、分，星期二在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體內(nèi)最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)。+4+4+4+4+4空穴自由電子第5頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二本征激發(fā)產(chǎn)生兩種載流子（能夠?qū)щ姷碾姾桑┳杂呻娮印⒖昭?；兩種載流子導(dǎo)電的差異在外電場作用下，自由電子能在晶格中自由運(yùn)動，是真正的載流子；而空穴導(dǎo)電的本質(zhì)是價電子依次填補(bǔ)晶格中的空位，價電子只在共價鍵間運(yùn)動，宏觀上我們將其看成空位的定向運(yùn)動，空穴是一種等效載流子。第6頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二+4+4+4+4+4空穴的定向運(yùn)動自由電子的定向運(yùn)動第7頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二載流子的

3、復(fù)合兩種載流子在熱運(yùn)動中相遇，使一對自由電子和空穴消失。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會達(dá)到動態(tài)平衡。平衡狀態(tài)下單位體積內(nèi)的自由電子（或空穴）數(shù)稱為本征濃度，用ni表示。第8頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二2、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中滲入微量5價元素（如磷）后形成N型雜質(zhì)半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。施主電離在很低溫度下， 5價元素就會有一個不受共價鍵束縛的價電子成為自由電子。第9頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二價電子、束縛電子+5+4+4+4+4自由電子缺少一個價電子成為不能移動的帶+q的正離子第10頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分

4、，星期二雖然由施主“提供”了自由電子，但N型半導(dǎo)體仍呈電中性。N型半導(dǎo)體在一定溫度下既有施主電離產(chǎn)生的自由電子，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。施主電離產(chǎn)生自由電子和正粒子，不會產(chǎn)生空穴；第11頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二在本征半導(dǎo)體中滲入微量3價元素（如硼）后形成P型雜質(zhì)半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。受主電離：在很低溫度下， 3價元素的空位就會由價電子填補(bǔ)，從而形成空穴。第12頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二+3+4+4+4+4增加一個價電子成為不能移動的帶 -q的負(fù)離子價電子、束縛電子空穴第13頁

5、，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二雖然由受主“接受”價電子形成了空穴，但P型半導(dǎo)體仍呈電中性。受主電離產(chǎn)生空穴和負(fù)粒子，不會產(chǎn)生自由電子。P型半導(dǎo)體在一定溫度下既有受主電離產(chǎn)生的空穴，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。第14頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二平衡狀態(tài)下多子濃度與少子濃度的乘積等于同一溫度時本征濃度的平方（n0p0=ni2）。它說明：摻雜使多子濃度提高的同時使少子濃度降低；因此，N型半導(dǎo)體的多子濃度n0 本征濃度ni 少子濃度p0；P型半導(dǎo)體的多子濃度p0 本征濃度ni 少子濃度n0 。第15

6、頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二雜質(zhì)原子數(shù)的密度與半導(dǎo)體原子數(shù)的密度相比盡管很小，但仍然遠(yuǎn)大于常溫時的本征濃度，且常溫下雜質(zhì)電離全部完成；因此，常溫下多子濃度基本等于雜質(zhì)密度，遠(yuǎn)大于本征濃度，并基本與溫度無關(guān)。少子濃度是溫度的函數(shù)。在相同摻雜條件下，硅的少子濃度遠(yuǎn)小于鍺的少子濃度。第16頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二3、半導(dǎo)體中的漂移電流與擴(kuò)散電流漂移電流在外電場作用下，載流子作宏觀定向運(yùn)動所形成的電流?？昭ㄑ仉妶隽Ψ较蚱疲杂呻娮幽骐妶隽Ψ较蚱?，雖然兩者漂移方向相反，但形成的漂移電流方向卻相同，總的漂移電流為兩者之和；漂移電流與電場強(qiáng)度和

7、載流子濃度成正比；雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度，因而多子漂移電流也遠(yuǎn)大于少子漂移電流。第17頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二擴(kuò)散電流載流子因濃度差作宏觀定向運(yùn)動所形成的電流。兩種載流子均沿濃度梯度方向擴(kuò)散，雖然兩者擴(kuò)散方向相同，但形成的擴(kuò)散電流方向卻相反，總的擴(kuò)散電流為兩者之差；擴(kuò)散電流與載流子的濃度梯度成正比。第18頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二1、PN結(jié)的形成及特點(diǎn)用某種工藝將本征半導(dǎo)體摻雜為兩個區(qū)：一個區(qū)為P型半導(dǎo)體，另一個區(qū)為N型半導(dǎo)體。二、 PN結(jié)導(dǎo)電特性在兩者的界面附近會形成一個特殊的薄層PN結(jié)。第19頁，共79頁，2022年

8、，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二PN結(jié)的形成：界面兩側(cè)的多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散越界后相當(dāng)于對方的少子被復(fù)合；+第20頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二+從而在P區(qū)一側(cè)留下受主負(fù)離子、在N區(qū)一側(cè)留下施主正離子，形成一個電偶層即由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)建電場的多子被漂移回來，最終達(dá)到擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡。內(nèi)建電場PN結(jié)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體第21頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二PN結(jié)的特點(diǎn)：空間電荷區(qū)結(jié)內(nèi)形成內(nèi)建電場（非電中性），內(nèi)建電壓的典型值為0.7V（Si）或0.35V（Ge）；耗盡層結(jié)內(nèi)的載流子在PN結(jié)形成過程中已經(jīng)耗盡；阻擋層（勢壘區(qū)）

9、阻止兩側(cè)多子越結(jié)擴(kuò)散。若摻雜密度不同，則形成不對稱PN結(jié)，空間電荷區(qū)向低摻雜區(qū)延伸。第22頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二2、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦云迷诎雽?dǎo)體器件上所加的直流電壓（偏壓）和電流（偏流）。由于PN結(jié)是耗盡層，相對于結(jié)外的P區(qū)和N區(qū)而言是高阻區(qū)，偏壓幾乎完全作用在結(jié)層上。正向偏壓的PN結(jié)：第23頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二正偏電壓削弱結(jié)電場，動態(tài)平衡被打破，（由于外電路的強(qiáng)制行為，建立原有動態(tài)平衡的趨勢被遏止?。?PN結(jié)變薄，有利于擴(kuò)散，從而使多子擴(kuò)散大于漂移，在外電路形成正向電流。（內(nèi)部存在兩種載流子運(yùn)動而外電路只有電子運(yùn)動?。?/p>

10、對外電路而言，相當(dāng)于PN結(jié)導(dǎo)通。第24頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二+外電場正向偏壓結(jié)電場被削弱內(nèi)建電場PN結(jié)變薄第25頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二反向偏壓的PN結(jié)反偏電壓增強(qiáng)結(jié)電場， PN結(jié)變寬，多子擴(kuò)散受到更強(qiáng)的阻擋，對外電路而言，相當(dāng)于PN結(jié)截止。顯然，正偏電壓越大， PN結(jié)越薄，越有利于擴(kuò)散，相應(yīng)外電路的正向電流也越大。第26頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二+外電場反向偏壓內(nèi)建電場結(jié)電場被增強(qiáng)PN結(jié)變寬第27頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二結(jié)電場的增強(qiáng)有利于少子的越結(jié)漂移，從而在外電路

11、形成反向電流；（同樣，內(nèi)部是兩種載流子運(yùn)動，外電路只有電子運(yùn)動?。┯捎谏僮訑?shù)量有限，即使全漂也只能形成很小的反向飽和電流，若忽略不計，仍可認(rèn)為PN結(jié)是截止的。綜上， 可以得到PN結(jié)最重要的特性單向?qū)щ娞匦?。?8頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二PN結(jié)的伏安特性由理論分析得到式中：IS為PN結(jié)的反向飽和電流，該值很小，一般硅PN結(jié)IS的值僅pA級；VT為熱電壓，常溫（T=300K）下一般取VT26mV。可以驗(yàn)證，只有當(dāng)vD的值取到0.52V以上時，硅PN結(jié)的iD值才能達(dá)到mA級；因此，即使正向偏壓的PN結(jié)也存在一個導(dǎo)通電壓VON，只有當(dāng)vD大于VON時， PN結(jié)才有明顯的

12、正向電流iD 。第29頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二vD(V)iD(mA)VONPN結(jié)的伏安特性曲線：第30頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管的特性與PN結(jié)的特性基本相同。1、二極管的伏安特性形式上，二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性相同：二極管的核心是PN結(jié)。三、二極管的特性及模型式中：IS為二極管的反向飽和電流，比PN結(jié)的略大一點(diǎn)。第31頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管的單向?qū)щ娞匦远O管正偏時，其伏安特性可近似為：二極管反偏時，其伏安特性可近似為：正偏二極管存在一個導(dǎo)通電壓VON，小功率硅二極管導(dǎo)通電壓的

13、典型值VON = 0.7V，小功率鍺二極管導(dǎo)通電壓的典型值VON = 0.3V。第32頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管反偏時，鍺管的反向飽和電流至少比硅管大三個數(shù)量級以上。溫度增加時，二極管的反向飽和電流明顯增大。二極管的反向擊穿導(dǎo)電特性反向擊穿現(xiàn)象PN結(jié)的反偏電壓大到一定值時，反向電流會急劇增大。反向擊穿原因：第33頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二雪崩擊穿價電子被碰撞電離，發(fā)生于低摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以上；齊納擊穿價電子被場致激發(fā)，發(fā)生于高摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以下。只要保證擊穿時平均管耗不超過允許值，二極管的反向擊穿是

14、一種可逆的電擊穿。第34頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管的反向擊穿特性曲線：vDiD穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）是一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管。第35頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二2、二極管的直流電阻和交流電阻二極管的伏安特性表明其為非線性電阻。二極管的直流電阻一般將二極管的直流電壓VD和直流電流ID稱為二極管的工作點(diǎn)Q，將該工作點(diǎn)Q 處直流電壓直流與電流的比值定義為直流電阻RD，即：第36頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管的交流電阻將二極管工作點(diǎn)Q 處微變電壓增量與微變電流增量的比值定義為交流電阻rd，即：第3

15、7頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二3、二極管模型分析含二極管的電路時，由于涉及二極管伏安特性（也稱為二極管方程）這樣的非線性方程，工程上一般不采取直接計算的方法。工程上常用的一種方法是圖解法，又稱負(fù)載線法；第38頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二vDiDiDvD+-3003V例1：用圖解法求圖示電路的vD和iD 。0.727.6第39頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二工程上常用的另一種方法是模型法用理想元件構(gòu)成的等效電路來近似非線性器件。二極管的大信號模型理想開關(guān)模型：恒壓源模型：vDiDvDiD第40頁，共79頁，2022年

16、，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二折線近似模型vDiD例1.1(p18)：用模型法求圖示電路的vD 和iD 。iDvD+-3003V二極管用恒壓源模型vD= 0.7V , iD 0第41頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二iDvD=0.7V+-3003V二極管的小信號模型一般情況下iD =ID+ id、vD =VD+vd，若id 、vd足夠小，在工作點(diǎn)Q（ID、VD）附近二極管可以線性化，根據(jù)疊加原理，可以分別進(jìn)行ID、VD 及id 、vd 分析。第42頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二計算ID、VD稱為求工作點(diǎn)Q ，需畫出只反映ID、VD的電路直流通路

17、；計算id 、vd稱為交流小信號分析，需畫出只反映id 、vd的電路交流通路，相應(yīng)需要二極管的小信號模型。二極管的小信號模型就是二極管在工作點(diǎn)Q處的交流電阻rd 。第43頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二例2：圖示電路中v = 2sin(2104t ) mV ，C = 200mF，求id 。iDvD+_3003V+_vC解：畫出直流通路VDID+_3003V第44頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二二極管用恒壓源模型求出工作點(diǎn)Q 的交流電阻IDVD=0.7V3003V第45頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二畫出交流通路+_vidr

18、d300+_vidvd300+_二極管用小信號模型作業(yè)(p38-39)：1.4、1.6、1.7第46頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二半波整流電路1、整流電路當(dāng)vi (t) 0時，D導(dǎo)通；當(dāng)vi (t) 0時，D1導(dǎo)通、D2截止；當(dāng)vi (t) 0時，D1D3導(dǎo)通、D2D4截止；當(dāng)vi (t) V1時，D1導(dǎo)通、D2截止；vi (t) vi(t) -V2時，D1、D2均截止。+_vo(t)+_vi (t)D1D2V1V2第52頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二vi (t)tV1-V2vo(t)第53頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星

19、期二vi (t)vo(t)-V2V1V1-V2其傳輸特性曲線：第54頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二串聯(lián)型雙向限幅電路+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2 V1假定狀態(tài)分析法：第55頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二a假定狀態(tài)1D1、D2均截止：此時vo(t) =V2，va(t) =V1；由于vo(t) va(t) ，D2導(dǎo)通，與假定狀態(tài)矛盾，故狀態(tài)1不成立；+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2 V1第56頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二假定狀態(tài)2D1導(dǎo)通、D2截止：此時vo(t) =

20、V2，va(t) = vi (t) ；只有當(dāng)vi (t) V2(V1) 時，狀態(tài)2成立；a+_vo(t)+_vi(t)D1D2V1V2R1R2V2 V1第57頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二假定狀態(tài)3D1截止、D2導(dǎo)通：此時vo(t) =va(t) = ；只有當(dāng)vi (t) V1第58頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二假定狀態(tài)4D1、D2均導(dǎo)通：此時vo(t) =vi (t)；只有當(dāng) vi (t) V1第59頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二vi(t)tV1V2vo(t)第60頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，

21、星期二其傳輸特性曲線：vi(t)vo(t)V2V2第61頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二3、鉗位電路+_vo(t)+_vi (t)DCvc(t)+_分析鉗位電路時二極管可以用理想開關(guān)模型，也可以用恒壓源模型。第62頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二vi(t)t-VVvc(t)vo(t)+_vo(t)+_vi (t)DCvc(t)+_第63頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二4、邏輯電路分析邏輯電路時二極管一般用恒壓源模型。VD1V1V2RVoD2第64頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二假定狀態(tài)分析法：假定狀

22、態(tài)1D1、D2均截止：此時Vo=V；只有當(dāng)V1、V2V而V1V而V2V時，狀態(tài)4成立；雖然V1、V2V 但V1V2時，狀態(tài)4不成立。VD1V1V2RVoD2第67頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二如果V1、V2只取V或V的兩種數(shù)值，且所取的數(shù)值相等，將V的數(shù)值記為邏輯1，則該電路為有1為1的“或”邏輯電路。第68頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二5、穩(wěn)壓電路限流電阻R保證穩(wěn)壓管正常工作(電擊穿而不是熱擊穿)的必備措施。穩(wěn)壓管主要參數(shù)：VZ、rZ、IZMAX、IZMIN；+_+_VIDZVIRRLRLVO+ VO第69頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二限流電阻R的選取：第70頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二穩(wěn)壓管的恒壓源模型穩(wěn)壓管的折線近似模型VZDZDZrZVZ第71頁，共79頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)49分，星期二例1.3(p27) ：圖示電路中穩(wěn)壓管2DW3的VZ =9V，rZ=4；如果輸入電壓的波動VI/VI =10%，求輸出電壓的波動VO/VO。+_+_15VDZVI60180VO+ VO第72頁，共79頁，2022年，5月2