模擬電子技術(shù) 半導(dǎo)體器件

1、(1-1),第三章二極管及其基本電路, 3.1 半導(dǎo)體基本知識 3.2 PN 結(jié)及半導(dǎo)體二極管,(1-2),3.1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,一、導(dǎo)體 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體， 金屬一般都是導(dǎo)體。,二、絕緣體 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,三、半導(dǎo)體 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,3.1 半導(dǎo)體基本知識,(1-3),半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導(dǎo)電能力明顯

2、改變。,(1-4),3.1.2 本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,(1-5),本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,(1-6),硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共 用電子對,+4表示除去價電子后的原子,(1-7),共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因

3、此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,(1-8),二、本征激發(fā),在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,(1-9),自由電子,空穴,束縛電子,(1-10),2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在其它力的作用下，空穴吸引附

4、近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,(1-11),溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。,(1-12),3.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體

5、：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。,(1-13),一、N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,(1-14),多余 電子,磷原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2.本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。

6、,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。,(1-15),二、P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,(1-16),雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,(1-17),小結(jié),1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)

7、的濃度決定。 4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。 5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。,(1-18),1.2.1 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,3.2 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管,一、多子擴(kuò)散,(1-19),P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,(1-20),所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷

8、區(qū)的厚度固定不變。,二、少子漂移,(1-21),空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,(1-22),1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。,3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,(1-23),3.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。,PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。,(1-24),一、PN 結(jié)正向偏置,P,N,+,_,內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大

9、的擴(kuò)散電流。,(1-25),二、PN 結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,R,E,(1-26),3.2.3 半導(dǎo)體二極管,一、基本結(jié)構(gòu),PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。,點(diǎn)接觸型,面接觸型,(1-27),二、伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。,反向擊穿電壓UBR,(1-28),三、主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2. 反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電

10、流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,(1-29),3. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。,(1-30),4. 微變電阻 rD,uD,rD 是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對Q附近的微

11、小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,(1-31),5. 二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。,勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。,擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。,(1-32),CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。,PN結(jié)高頻小信號時的等效電路

12、：,勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng),(1-33),二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0,二極管的應(yīng)用舉例1：二極管半波整流,(1-34),二極管的應(yīng)用舉例2：,(1-35),3.2.4 穩(wěn)壓二極管一、結(jié)構(gòu),用特殊工藝制造的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管。,二、特性,其正向特性與普通二極管相似；,因采用了特殊的設(shè)計和工藝，只要反向電流在一 定的范圍內(nèi)，PN結(jié)的溫度不會超過允許值，不會 造成永久性擊穿。,電流增量IZ很大，只引起很小的電壓增量UZ,一般工作在反向擊穿區(qū)。,(1-36),U,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。,-,UZ,(1-37),（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,三、穩(wěn)壓二極管的參數(shù),（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（3）動態(tài)電阻,(1-38),負(fù)載電阻 。,要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):,解：令輸入電壓達(dá)到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,方程1,(1-39),令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得：,(1-40),3.2.5 特殊二極管,反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,一、光電二極管,(1-4