半導(dǎo)體材料及二極管 (3)課件

第一章

半導(dǎo)體材料及二極管1.3

晶體二極管及其應(yīng)用二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)。圖1.11二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)1.3.1晶體二極管的伏安特性

二極管的伏安特性是指流過(guò)二極管中的電流與其端電壓之間的關(guān)系。

（1.16）--加在二極管上的端電壓--流過(guò)二極管上的電流二極管的反偏伏安特性方程:

可見(jiàn)，二極管反向電流不隨反向偏壓而變化，僅有很小的反向飽和電流。

2.反偏伏安特性（1.18）圖1.12二極管的伏安特性曲線當(dāng)加在二極管上的反偏電壓超過(guò)某一數(shù)值VBR時(shí)，反偏電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿圖1.13二極管的反向擊穿特性3.反向擊穿特性4.溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管正向特性的影響溫度對(duì)二極管反向特性的影響圖1.14溫度對(duì)二極管伏安特性的影響5.Si二極管與Ge二極管的差別Si

二極管的開(kāi)啟電壓約0.5-0.6V，Ge二極管的開(kāi)啟電壓約0.1-0.2V。Si二極管反向電流比Ge二極管反向電流小得多，Si管是pA量級(jí)，Ge管是μA量級(jí)。

為什么？圖1.15Si和Ge兩種二極管伏安特性的差別1.3.2二極管的直流電阻和交流電阻

1.直流電阻靜態(tài)工作點(diǎn)圖1.16二極管的直流電阻3.二極管的其它主要參數(shù)最大平均整流電流最高反向工作電壓

反向電流最高工作頻率含二極管電路的分析（非線性伏安關(guān)系）代數(shù)法：求解非線性方程組幾何法：圖解法模型法：近似線性法計(jì)算復(fù)雜，必須借助計(jì)算機(jī)粗糙，必須知道伏安關(guān)系曲線方便，可以利用線性電路分析方法如何模型化？根據(jù)伏安關(guān)系1.3.3二極管模型圖1.18二極管模型（a)理想開(kāi)關(guān)模型（b）恒壓源模型（c）折線近似模型1.二極管伏安特性的分段線性近似模型解：將二極管用恒壓源模型近似后來(lái)估算二極管工作點(diǎn)。為什么采用恒壓源模型？2.二極管的交流小信號(hào)模型圖1.20二極管的交流小信號(hào)模型例1.2 若在例1.1電路中串聯(lián)一個(gè)正弦電壓源，圖1.21（a）為其電路圖，估算此時(shí)二極管上交流電壓與電流成分的振幅值和（T＝300K）。圖1.21二極管交流電路分析（a）電路圖（b）交流等效電路利用線性電路的疊加原理，可以畫(huà)出只反映交變電壓和交變電流之間關(guān)系的電路，稱之為交流等效電路，如圖1.21(b)所示，由此交流通路可求出:1.3.4二極管應(yīng)用電路1.整流電路圖1.22直流穩(wěn)壓電源方框圖

圖1.23半波整流電路

試分析半波整流電路的工作原理，指出其不足，提出改進(jìn)方法。橋式整流電路試分析橋式整流電路的工作原理2.濾波電路圖1.25濾波電路試分析濾波電路的工作原理。限幅電路是一種能限制電路輸出電壓幅值的電路。

3.限幅電路圖1.26限幅電路的電壓傳輸特性VomaxVominVILVIH

鉗位電路是一種能使整個(gè)信號(hào)電壓直流平移的電路。在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出波形完全是輸入波形的復(fù)制品，但輸出波形相對(duì)于輸入波形有直流平移現(xiàn)象，平移程度取決于電路。

4.鉗位電路圖1.28鉗位電路原理分析圖1.29鉗位電路的波形試找出圖中的錯(cuò)誤1.3.5穩(wěn)壓管及其應(yīng)用

1.穩(wěn)壓管的伏安特性圖1.30穩(wěn)壓管伏安特性曲線及電路符號(hào)穩(wěn)定電壓最小穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流動(dòng)態(tài)電阻電壓溫度系數(shù)2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)3.穩(wěn)壓管電路圖1.32穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1）穩(wěn)壓原理圖1.33穩(wěn)壓管電路原理分析試分析穩(wěn)壓原理問(wèn)題：還有其他的分析方法嗎？2）限流電阻R的選取穩(wěn)壓管正常工作范圍：可以求得：例1.3采用的Si穩(wěn)壓管2DW3的穩(wěn)壓電路如圖1.34所示。如果輸入電壓的波動(dòng)，試問(wèn)輸出電壓的波動(dòng)

圖1.34解：圖1.35穩(wěn)壓電路模型及增量等效模型輸入電壓的變化量為：輸出電壓的變化量為：輸出電壓的相對(duì)變化量為：例1.4 為汽車上的收音機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電源。要求該穩(wěn)壓電源為汽車收音機(jī)提供一個(gè)9V的電壓，穩(wěn)壓電源的輸入電壓來(lái)自汽車電瓶，電瓶電壓的變化范圍（11～13.6）V，收音機(jī)的電流介于0(關(guān)掉)～100mA(最大音量)之間。圖1.36解：（1）當(dāng)負(fù)載電流最大，輸出電壓最小時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最小，則

（2）當(dāng)負(fù)載電流最小，輸入電壓最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大,則令上兩式相等，則:

只含兩個(gè)未知量：和。取穩(wěn)壓管的最小電流是最大電流的十分之一，即則限流電阻:提高訓(xùn)練：如何設(shè)計(jì)小功率電壓源電路？1.3.6PN結(jié)電容效應(yīng)及應(yīng)用勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容變?nèi)荻O管1.3.7 特殊二極管

太陽(yáng)能電池

光電二極管

發(fā)光二極管肖特基二極管1.3.8小結(jié)半導(dǎo)體知識(shí)二極管知識(shí)二極管應(yīng)用

一、半導(dǎo)體知識(shí)

1．本征半導(dǎo)體單質(zhì)半導(dǎo)體材料是具有4價(jià)共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)的硅（Si）和鍺（Ge）。前者是制造半導(dǎo)體IC的材料（三五價(jià)化合物砷化鎵GaAs是微波毫米波半導(dǎo)體器件和IC的重要材料）。純凈且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體內(nèi)的最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)（又稱熱激發(fā)或產(chǎn)生）。本征激發(fā)產(chǎn)生兩種帶電性質(zhì)相反的載流子——自由電子和空穴對(duì)。溫度越高，本征激發(fā)越強(qiáng)?？昭ㄊ前雽?dǎo)體中的一種等效載流子?？昭▽?dǎo)電的本質(zhì)是價(jià)電子依次填補(bǔ)本征晶格中的空位，使局部顯示電荷的空位宏觀定向運(yùn)動(dòng)。在一定的溫度下，自由電子與空穴在熱運(yùn)動(dòng)中相遇，使一對(duì)自由電子和空穴消失的現(xiàn)象稱為載流子復(fù)合。復(fù)合是產(chǎn)生的相反過(guò)程，當(dāng)產(chǎn)生等于復(fù)合時(shí)，稱載流子處于平衡狀態(tài)。2．雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征硅（或鍺）中滲入微量5價(jià)（或3價(jià)）元素后形成N型（或P型）雜質(zhì)半導(dǎo)體。在很低的溫度下，N型（P型）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)會(huì)全部電離，產(chǎn)生自由電子和雜質(zhì)正離子對(duì)（空穴和雜質(zhì)負(fù)離子對(duì)）。由于雜質(zhì)電離，使N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴，而P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子。在常溫下，多子>>少子,且多子濃度幾乎等于雜質(zhì)濃度，與溫度無(wú)關(guān)；少子濃度是溫度的敏感函數(shù)。在相同摻雜和常溫下，Si的少子濃度遠(yuǎn)小于Ge的少子濃度。這也是Si器件工作溫度高于Ge器件的原因。

3．半導(dǎo)體中的兩種電流在半導(dǎo)體中存在因電場(chǎng)作用產(chǎn)生的載流子漂移電流（這與金屬導(dǎo)電一致）；還存在因載流子濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。

二、PN結(jié)在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層——PN結(jié)。PN結(jié)是非中性區(qū)（稱空間電荷區(qū)），存在由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電壓；PN結(jié)內(nèi)載流子數(shù)遠(yuǎn)少于結(jié)外的中性區(qū)（稱耗盡層）；PN結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)是阻止結(jié)外兩區(qū)的多子越結(jié)擴(kuò)散的（稱勢(shì)壘層或阻擋層）。三、二極管知識(shí)普通二極管內(nèi)芯片就是一個(gè)PN結(jié)，P區(qū)引出正電極，N區(qū)引出負(fù)電極。在低頻運(yùn)用時(shí)，二極管具有單向?qū)щ娞匦?，正偏時(shí)導(dǎo)通，Si管和Ge管導(dǎo)通電壓典型值分別是0.7V和0.2V；反偏時(shí)截止，但Ge管的反向飽和電流比Si管大得多。二極管的低頻小信號(hào)模型就是交流電阻，它反映了在工作點(diǎn)Q處，二極管的微變電流與微變電壓之間的關(guān)系。二極管交流電阻定義：估算:二極管伏安特性二極管