模电全套课件2.ppt
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3二极管及其基本电路3.13.1半导体的基本知识半导体的基本知识3.23.2PNPN结的形成及特性结的形成及特性3.33.3二极管二极管3.43.4二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法3.53.5特殊二极管特殊二极管n内容内容各种电子线路最重要的组成部分是半导体器件。
本各种电子线路最重要的组成部分是半导体器件。
本章讨论半导体的特性和章讨论半导体的特性和PNPN结的单向导电性,然后介绍半结的单向导电性,然后介绍半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线、主要参导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。
数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。
n要求要求熟练掌握二极管及稳压管的特性、参数,二极管基熟练掌握二极管及稳压管的特性、参数,二极管基本电路及分析方法;正确理解本电路及分析方法;正确理解PNPN结单向导电性能,结单向导电性能,PNPN结结方程,方程,PNPN结电容,载流子的浓度、扩散、漂移、结电容,载流子的浓度、扩散、漂移、PNPN结的结的形成;了解选管原则,二极管在模拟电路中的主要应用。
形成;了解选管原则,二极管在模拟电路中的主要应用。
3.1半导体的基本知识3.1.13.1.1半导体材料半导体材料3.1.23.1.2半导体的共价键结构半导体的共价键结构3.1.33.1.3本征半导体本征半导体3.1.43.1.4杂质半导体杂质半导体3.1.1半导体材料1.1.导导体体:
电电阻阻率率1010-44cmcm的的物物质质。
如如铜铜、银银、铝等金属材料。
铝等金属材料。
2.2.绝绝缘缘体体:
电电阻阻率率101099cmcm的的物物质质。
如如橡橡胶胶、塑料等。
塑料等。
3.3.半半导导体体:
导导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间的的物物质质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅大多数半导体器件所用的主要材料是硅(SiSi)和锗和锗(GeGe)。
半半导导体体导导电电性性能能是是由由其其原原子子结结构构决决定定的的。
具具有有热热敏敏性性、光敏性、掺杂性。
光敏性、掺杂性。
最外层电子称最外层电子称价电子价电子价电子价电子44价元素的原子常用价元素的原子常用+4+4电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围44个价电子表示。
个价电子表示。
+4硅晶体共价键平面结构硅晶体共价键平面结构硅的原子结构图硅的原子结构图3.1.2半导体的共价键结构共共价价键键+4+4+4+4+4+4+4+4+4价价电电子子3.1.3本征半导体n本征半导体本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
当温度当温度TT=0K=0K时,半导体不导电,如同绝缘体。
时,半导体不导电,如同绝缘体。
n本征激发本征激发本征半导体在热(或光照)作用下产生电本征半导体在热(或光照)作用下产生电子空穴对的现象。
子空穴对的现象。
n自由电子和空穴自由电子和空穴n载流子载流子n复合复合若若TT,将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子,在在原原来来的的共共价价键键中中留留下一个空位下一个空位空穴空穴。
TT自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力,但但很很微弱。
微弱。
本本征征半半导导体体中中,自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现,称为称为电子电子-空穴对空穴对。
由由于于物物质质的的运运动动,自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。
在在一一定定的的温温度度下下,产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平平衡衡,载载流流子子的的浓浓度度就就一一定定了了。
载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关,它它随随着着温度的升高,基本温度的升高,基本按指数规律增加按指数规律增加。
空穴空穴自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+43.1.4杂质半导体杂质半导体是在本征半导体中掺入微量的杂质所形杂质半导体是在本征半导体中掺入微量的杂质所形成的半导体。
成的半导体。
杂质半导体有杂质半导体有NN型和型和PP型两大类。
型两大类。
在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的33价价杂杂质质元元素素,如如硼硼、镓镓、铟铟等,即构成等,即构成PP型半导体型半导体。
33价价杂杂质质原原子子称称为为受主原子受主原子。
1.P型半导体空穴空穴受主受主原子原子+3+32.N型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的55价价杂杂质质元元素素,如如磷磷、锑锑、砷砷等等,即即构构成成NN型型半半导体导体。
施主原子施主原子55价价杂杂质质原原子子称称为为施主原子施主原子。
3.杂质半导体中的载流子浓度n在在PP(NN)型半导体中,空穴()型半导体中,空穴(自由电子自由电子)浓度多于自由)浓度多于自由电子(电子(空穴空穴)浓度,即)浓度,即ppnn(nnpp)。
空穴()。
空穴(自由电子自由电子)为多数载流子,自由电子(为多数载流子,自由电子(空穴空穴)为少数载流子。
)为少数载流子。
n杂质半导体中多数载流子的浓度远大于少数载流子的浓杂质半导体中多数载流子的浓度远大于少数载流子的浓度,杂质半导体中的电流基本上是多数载流子的电流;度,杂质半导体中的电流基本上是多数载流子的电流;n杂质半导体的导电能力远大于本征半导体的导电能力,杂质半导体的导电能力远大于本征半导体的导电能力,半导体中掺入微量的杂质可以大大提高其导电能力。
半导体中掺入微量的杂质可以大大提高其导电能力。
3.2PN结的形成及特性3.2.13.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2.23.2.2PNPN结的形成结的形成3.2.33.2.3PNPN结的单向导电性结的单向导电性3.2.43.2.4PNPN结的反向击穿结的反向击穿3.2.53.2.5PNPN结的电容效应结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散n漂移漂移载流子在内电场作用下的运动。
载流子在内电场作用下的运动。
n扩散扩散由浓度差而产生的运动。
由浓度差而产生的运动。
在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为PP型型半半导导体体,另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为NN型型半半导导体体,两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成了一个特殊的薄层,成了一个特殊的薄层,称为称为PNPN结结。
3.2.2PN结的形成PNPN结结耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动耗尽层。
耗尽层。
PN电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。
电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。
2.2.扩散运动形成空间电荷区扩散运动形成空间电荷区3.3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN内电场内电场空间电荷区空间电荷区vD空空间间电电荷荷区区正正负负离离子子之之间间电电位位差差vvDD内内电电场场;内内电电场场阻阻止多子的扩散止多子的扩散阻挡层阻挡层。
4.4.漂移运动漂移运动内电场有利于少子运动内电场有利于少子运动漂移。
漂移。
少子的运动与多子运动方向相反少子的运动与多子运动方向相反阻挡层阻挡层5.5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩扩散散运运动动使使空空间间电电荷荷区区增增大大,扩扩散散电电流流逐逐渐渐减减小小;随随着着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;内电场的增强,漂移运动逐渐增加;当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时,PNPN结结总总的的电电流流等等于于零零,空空间间电电荷荷区区的的宽宽度度达达到到稳稳定定。
即即扩扩散散运运动动与与漂漂移移运运动动达达到动态平衡。
到动态平衡。
电压电压vvDD,硅材料约为硅材料约为(0.60.60.80.8)VV,锗材料约为锗材料约为(0.20.20.30.3)VV。
空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米几十微米;几十微米;3.2.3PN结的单向导电性当当PNPN结结正正向向偏偏置置时时,回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电流,电流,PNPN结处于结处于导通状态导通状态;当当PNPN结结反反向向偏偏置置时时,回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小,几几乎乎等于零,等于零,PNPN结处于结处于截止状态截止状态。
PNPN结具有结具有单向导电性单向导电性。
空间电荷区空间电荷区外电场方向外电场方向VRI1.PN外加正向电压n外电场与内电外电场与内电场方向相反场方向相反耗尽区变窄,耗尽区变窄,内电场削弱内电场削弱有利于扩散,有利于扩散,扩散电流远大扩散电流远大于漂移电流于漂移电流正向电流很大正向电流很大。
内电场方向内电场方向PN当当PNPN结结正正向向偏偏置置时时,回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流,流,PNPN结处于结处于导通状态导通状态。
空间电荷区空间电荷区PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS2.PN外加反向电压n外电场与内电外电场与内电场方向相同场方向相同耗尽区变宽,耗尽区变宽,内电场增强内电场增强阻止扩散运动,阻止扩散运动,扩散电流和漂扩散电流和漂移电流均很小移电流均很小反向电流很反向电流很小小。
当当PNPN结结反反向向偏偏置置时时,回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小,几几乎乎等等于零,于零,PNPN结处于结处于截止状态截止状态。
当当PN结结两两端端加加正正向向偏偏置置时时,电电压压vD为为正正值值,当当vD比比nVT大几倍时,二极管的电流大几倍时,二极管的电流iD与电压与电压vD成指数关系。
成指数关系。
3.PN结伏安特性的表达式当当PN结结两两端端加加反反向向偏偏置置时时,电电压压vD为为负负值值,当当|vD|比比nVT大几倍时,二极管的电流大几倍时,二极管的电流iD是个常数。
是个常数。
IS:
反向饱和电流;反向饱和电流;n:
发射系数,其值在:
发射系数,其值在12之间;之间;VT:
温度的电压当量,在常温温度的电压当量,在常温(300K)下,下,VT26mV。
6040200.0020.00400.51.02550I/mAU/V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压UU(BR)(BR)4.PN结的伏安特性在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压,测测量量流流过过管管子子的的电电流流,I=f(U)之间的关系曲线。
之间的关系曲线。
反向特性反向特性击击穿穿特特性性死区死区电压电压60402000.40.8I/mAU/Va.正向特性当正向电压比较小时,正向电当正向电压比较小时,正向电流几乎为零。
只有当正向电压超过流几乎为零。
只有当正向电压超过一定值时,正向电流开始快速增长,一定值时,正向电流开始快速增长,正向特性上的这一电压叫正向特性上的这一电压叫死区电压死区电压。
死区电压与材料和温度有关,硅管死区电压与材料和温度有关,硅管约约0.50.5VV左右,锗管约左右,锗管约0.10.1VV左右。
左右。
当正向电压超过死区电压后,随着当正向电压超过死区电压后,随着电压的升高,正向电流迅速增大。
电压的升高,正向电流迅速增大。
b.反向特性加反向电压,反向电流很小。
一般硅管的反向电流比加反向电压,反向电流很小。
一般硅管的反向电流比锗管小得多。
锗管小得多。
反向饱和电流反向饱和电流3.2.5PN结的反向击穿n如果反向电压继续升高,如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电大到一定数值时,反向电流会突然增大;这种现象流会突然增大;这种现象称称击穿击穿,对应电压叫,对应电压叫反向反向击穿电压击穿电压。
击穿击穿电压电压UU(BR)(BR)n击穿并不意味管子损坏,击穿并不意味管子损坏,若控制击穿电流,电压降若控制击穿电流,电压降低后,还可恢复正常。
低后,还可恢复正常。
反向击穿反向击穿雪崩击穿雪崩击穿:
PNPN结耗尽层内的少数载流子在强电场加速作结耗尽层内的少数载流子在强电场加速作
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