模拟电子技术经典教程 半导体器件基础.ppt

2半导体器件基础 半导体其导电性能介于绝缘体和导体之间且受外界因素影响较大 如光 温度和掺杂等 半导体材料 制成电子器件的常用半导体材料元素半导体 si Ge等化合物半导体 GaAs等掺杂用半导体 B P Al等 硅和锗的二维晶格结构图 半导体的共价键结构 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 本征半导体 纯净的不含杂质的半导体 本征半导体及其导电作用 本征半导体的特点 在0K时 呈绝缘体特征 在TK时 受热激发 本征激发 产生电子空穴对 有两种载流子可以参与导电 即自由电子和空穴 本征半导体的热激发过程 动画1 1 动画1 2 载流子在晶格中的移动示意图 1 P型半导体2 N型半导体 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质 3价或5价元素 会使半导体的导电性能显著增强 在Si 或Ge 中掺入5价元素 如磷P N型半导体结构示意图 N型半导体 N型半导体共价键结构示意图 1 总的空穴数 本征激发空穴总的自由电子数 本征激发的自由电子数 杂质原子产生的自由电子3 自由电子为多数载流子空穴为少数载流子 少子 4 所掺杂质称为施主杂质 或N型杂质 施主原子 在无外电场时 呈电中性 N型半导体的特点 在Si 或Ge 中掺入少量3价元素 如硼 铝 铟等 P型半导体的结构示意图 P型半导体 P型半导体的特点 电子数 本征激发电子 总的空穴数 本征激发的空穴数 杂质原子产生的空穴 空穴为多数载流子 电子为少数载流子 少子 所掺杂质称为受主杂质 或P型杂质 受主原子 在无外电场时 呈电中性 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 杂质对半导体导电性的影响 漂移运动 载流子在电场作用下的定向运动 空穴顺着电场方向运动 电子则反之 扩散运动 载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动 载流子的两种运动 N区 P区 PN结的结构 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 动画1 3 PN结的形成过程 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 2 面接触型二极管 b 面接触型 4 二极管的代表符号 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 往往用于集成电路制造艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 ABCD 国产二极管型号命名 N型锗材料 2AP1 二极管 普通管 规格号 N型锗材料 P型锗材料 N型硅材料 P型硅材料 W 稳压管 V 微波管 半导体二极管实物 单向导电性反向击穿特性伏安特性开关特性 半导体二极管的特性 单向导电性 动画1 4 PN结加正向电压时的导电情况 正向特性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 形成正向电流 多子向PN结移动 空间电荷变窄内电场减弱 扩散运动大于漂移运动 PN结在外加正向电压时的情况分析 外加电场与内电场方向相反 削减内电场的作用 PN结加正向电压时 低电阻大的正向扩散电流 PN结加反向电压时的导电情况 动画1 5 反向特性 形成反向电流 多子背离PN结移动 空间电荷区变宽 内电场增强 漂移运动大于扩散运动 PN结的外加反向电压时的情况分析 外加电场与内电场方向一致 增强内电场的作用 PN结加反向电压时 高电阻很小的反向漂移电流 雪崩击穿齐纳击穿 反向击穿特性 当外加的反向电压大于一定的数值 击穿电压 时 反向电流急剧增加 称为击穿 电击穿 当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时 称为电击穿 是可逆的 即反压降低时 管子可恢复原来的状态 热击穿 若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率 则管子会因为过热而烧毁 形成热击穿 热击穿和电击穿 二极管V I特性 Vth Vr 门限电压或死区电压Si 0 5VGe 0 1V Vt kT q 热电压 当T 300K时 Vt 26mVIS 反向饱和电流 二极管V I关系式 二极管的伏安特性曲线 Si管与Ge管V I特性的差异 二极管反偏时截止 似开关断开 开关特性 器件的参数是其特性的定量描述 是正确使用和合理选择器件的依据 二极管的参数 管子可以长期安全运行的反向工作电压 最大反向工作电压VRM 最大正向工作电流IFM 管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 定义 指管子流过额定电流IFM时二极管两端的管压降 最大正向压降VF 二极管在反偏电压为VRM时管子的漏电流 最大反向电流IR IR越小 管子的单向导电性越好 PN结的电容效应 1 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的 当外加电压使PN结上压降发生变化时 离子薄层的厚度也相应地随之改变 这相当PN结中存储的电荷量也随之变化 犹如电容的充放电 PN结的电容效应 2 扩散电容CD 扩散电容示意图 扩散电容是由多子扩散后 在PN结的另一侧面积累而形成的 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同 这就相当电容充放电过程 高频时二极管的等效电路 如何判断二极管在电路中是导通的还是截止的 先假设二极管两端断开 确定二极管两端的电位差 若电路出现两个或两个以上二极管 应先判断承受正向电压较大的管子优先导通 再按照上述方法判断其余的管子是否导通 根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通 若为正电压且大于阈值电压 则管子导通 否则截止 二极管工作状态的判定 解 将二极管两端断开 所以二极管导通 二极管工作状态的判定 解 将二极管两端断开 二极管D2导通后 所以二极管D2先导通 所以二极管D1最终截止 作业 P258 P2 3 二极管的电路模型及其应用举例 2 1 5二极管的电路模型 2 1 6二极管的应用举例 2 1 5二极管的电路模型 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 4 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K 2 1 5二极管的电路模型 实例 1 二极管的静态工作情况分析 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 P16例2 1 6 1 2 1 6应用举例 1 整流电路 2 限幅电路 3 钳位电路 P16例2 1 6 2 2 1 7特种二极管 1 稳压二极管 2 变容二极管 3 光电子器件 光敏二极管 发光二极管 激光二极管 稳压二极管 1 符号及稳压特性 a 符号 b 伏安特性 1 稳定电压VZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 稳定电压温度系数 VZ 2 稳压二极管主要参数 稳压二极管 当 VZ 7V时 VZ具有正温度系数 反向击穿是雪崩击穿 当 VZ 4V时 VZ具有负温度系数 反向击穿是齐纳击穿 rZ VZ IZ 稳压二极管 3 稳压电路 正常稳压时VO VZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 上述电路VI为正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎样的 特种二极管 变容二极管 二极管的结电容随外加反向电压的变化而变化 光敏二极管 二极管的反向电流随外加的光照强度增大而增大 发光二极管 LED 由 族化合物构成的PN结 当二极管正向导通时 P区和N区的电子 空穴直接复合导致能量释放而发光 肖特基势垒二极管 SBD 当金属和N型半导体接触时也有势垒 会形成一个结 称为肖特基势垒结 由此形成的二极管称为SBD二极管 特点是结压小 Si 03 0 4V 开关速度快 作业 P259 P2 7 P2 9 P262 T2 3 题中rd应改为rD 。