模电课件第三章.ppt

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3.1半导体的基本知识半导体的基本知识3.3二极管二极管3.4二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3.5特殊二极管特殊二极管3.2PN结的形成及特性结的形成及特性3.1半导体的基本知识半导体的基本知识3.1.1半导体材料半导体材料3.1.2半导体的共价键结构半导体的共价键结构3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用3.1.4杂质半导体杂质半导体3.1.1半导体材料半导体材料根据物体导电能力根据物体导电能力（电阻率电阻率）的不同，来划分的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

导体、绝缘体和半导体。

典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。

等。

3.1.2半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体。

它它在在物物理理结结构上呈单晶体形态。

构上呈单晶体形态。

由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对电子电子-空穴对空穴对当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。

当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由电子由电子。

自由电子产生的同时，在其原来的自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为位为空穴空穴。

这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。

空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。

键中的价电子依次填充空穴来实现的。

3.1.4杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。

掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。

掺入的杂质主要是三价或五价元素。

掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。

掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。

NN型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

半导体。

PP型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

半导体。

1.N1.N型半导体型半导体因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。

成自由电子。

在在NN型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由它主要由杂质原子提供；杂质原子提供；空穴是少数载流子，空穴是少数载流子，由热激发形成。

由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。

2.P2.P型半导体型半导体因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共在与硅原子形成共价键时，缺少一个价键时，缺少一个价电子而在共价键价电子而在共价键中留下一个空穴。

中留下一个空穴。

在在PP型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成；形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。

由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。

三价杂质三价杂质因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。

3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影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响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.41010/cm31本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:

3以上三个浓度基本上依次相差约以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3。

2掺杂后掺杂后N型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:

n=51016/cm34.961022/cm3本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念本节中的有关概念自由电子、空穴自由电子、空穴NN型半导体、型半导体、PP型半导体型半导体多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质3.2PN结的形成及特性结的形成及特性3.2.2PN结的形成结的形成3.2.3PN结的单向导电性结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：

漂移运动：

由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。

扩散运动：

扩散运动：

由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成NN型半导体和型半导体和PP型半导体。

此时将在型半导体。

此时将在NN型半型半导体和导体和PP型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。

多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区3.2.2PN结的形成结的形成对于对于PP型半导体和型半导体和NN型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。

3.2.3PN结的单向导电性结的单向导电性当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中PP区的电位高于区的电位高于NN区的电位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。

（1）PN

（1）PN结加正向电压时结加正向电压时低电阻低电阻大的正向扩散电流大的正向扩散电流

（2）PN

（2）PN结加反向电压时结加反向电压时高电阻高电阻很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关，小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。

PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：

由此可以得出结论：

PNPN结具有单结具有单向导电性。

向导电性。

（3）PN（3）PN结结VV-II特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性IISS反向饱和电流反向饱和电流VVTT温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（TT=300K=300K）3.2.4PN结的反向击穿结的反向击穿当当PNPN结的反向电结的反向电压增加到一定数值时，压增加到一定数值时，反向电流突然快速增反向电流突然快速增加，此现象称为加，此现象称为PNPN结结的的反向击穿。

反向击穿。

热击穿热击穿不可逆不可逆雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿电击穿电击穿可逆可逆3.2.5PN结的电容效应结的电容效应

（1）

（1）扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图当当PN结处于正向偏结处于正向偏置时，扩散运动使置时，扩散运动使多数载多数载流子流子穿过穿过PN结，在对方区结，在对方区域域PN结附近有高于正常结附近有高于正常情况时的电荷累积。

存储情况时的电荷累积。

存储电荷量的大小，取决于电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值结上所加正向电压值的大小。

离结越远，由于的大小。

离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度空穴与电子的复合，浓度将随之减小。

将随之减小。

（2）

（2）势垒电容势垒电容CCBB若外加正向电压有一增量若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二二者之比者之比Q/V为扩散电容为扩散电容CD。

3.3二极管二极管3.3.1二极管的结构二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.3.3二极管的主要参数二极管的主要参数3.3.1二极管的结构二极管的结构在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管按结构分有管。

二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。

类。

（1）

（1）点接触型二极管点接触型二极管（a）（a）点接触型点接触型二极管的结构示意图二极管的结构示意图PNPN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。

变频等高频电路。

（a）面接触型）面接触型（b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型（c）代表符号）代表符号

（2）

（2）面接触型二极管面接触型二极管PNPN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。

工频大电流整流电路。

（b）（b）面接触型面接触型3.3.2二极管的二极管的V-I特性特性二极管的二极管的V-I特性曲线可用下式表示特性曲线可用下式表示锗二极管锗二极管2AP152AP15的的VV-II特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的VV-II特性特性3.3.3二极管的主要参数二极管的主要参数

（1）

（1）最大整流电流最大整流电流IIFF

（2）

（2）反向击穿电压反向击穿电压VVBRBR（3）（3）反向电流反向电流IIRR（6）（6）极间电容极间电容CCdd（CCBB、CCDD）（7）（7）反向恢复时间反向恢复时间TTRRRR（4）正向压降正向压降VF（5）动态电阻动态电阻rd

（1）最大整流电流最大整流电流IIFF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。

电流的平均值。

（2）反向击穿电压反向击穿电压VVBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VVRMRM二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压VBR。

为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

的一半计算。

（3）反向电流反向电流IIRR在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。

硅二极管