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文檔簡介
§4.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體物質(zhì)半導(dǎo)體的特性:1.導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間;2.導(dǎo)電能力隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第1頁/共45頁、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型+4價電子(ValenceElectron)
硅、鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖第2頁/共45頁1.本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖第3頁/共45頁2本征激發(fā)和兩種載流子本征激發(fā)產(chǎn)生空穴-電子對示意圖空穴:電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后,共價鍵中所留下的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對,統(tǒng)稱載流子??昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點(diǎn)是空穴的出現(xiàn)。第4頁/共45頁
外加電場時,帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電,且運(yùn)動方向相反。由于數(shù)目很少,故導(dǎo)電性很差。第5頁/共45頁4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì),可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素(如磷)的半導(dǎo)體。
P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素(如硼)的半導(dǎo)體。第6頁/共45頁1.N型半導(dǎo)體
因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵,而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。
在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。
能夠在本征半導(dǎo)體中釋放自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第7頁/共45頁
雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多,多子濃度越高,導(dǎo)電性越強(qiáng),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。答:N型半導(dǎo)體是電中性的。雖然自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù),但由于施主正離子的存在,使正、負(fù)電荷數(shù)相等,即自由電子數(shù)等于空穴數(shù)加正離子數(shù),所以整個半導(dǎo)體仍然是電中性的。
問題:N型半導(dǎo)體是帶正電還是帶負(fù)電?第8頁/共45頁
P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電,摻入雜質(zhì)越多,空穴濃度越高,導(dǎo)電性越強(qiáng),2.P型半導(dǎo)體
因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時,缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空位。
在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,它主要由摻雜形成;自由電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。
空位很容易俘獲電子,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第9頁/共45頁電子電流空穴電流1漂移電流(DriftCurrent)、PN結(jié)2擴(kuò)散電流(DiffusionCurrent)
在電場作用下,半導(dǎo)體中的載流子作定向運(yùn)動稱為飄移運(yùn)動。載流子的飄移運(yùn)動形成的電流稱為漂移電流。
由載流子濃度差(即濃度梯度)引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。濃度差越大,擴(kuò)散電流越大,而與該處的濃度值無關(guān)。第10頁/共45頁擴(kuò)散運(yùn)動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。
擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低,產(chǎn)生內(nèi)電場。1PN結(jié)的形成
在同一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過摻入不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體,則他們的交界面就形成PN結(jié)。第11頁/共45頁參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同,達(dá)到動態(tài)平衡,就形成了PN結(jié)。即擴(kuò)散過去多少多子,就有多少少子漂移過來漂移運(yùn)動
由于擴(kuò)散運(yùn)動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子,形成內(nèi)電場,從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動。第12頁/共45頁
在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:
因濃度差
空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場
內(nèi)電場促使少子漂移
內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散
最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)第13頁/共45頁
對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面,離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū),由于缺少多子,所以也稱耗盡層。第14頁/共45頁P(yáng)N結(jié)加正偏時:耗盡層變窄,擴(kuò)散運(yùn)動加劇,由于外電源的作用,形成擴(kuò)散電流,PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?)PN結(jié)正向偏置
當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向偏置,簡稱正偏;反之稱為加反向偏置,簡稱反偏。第15頁/共45頁P(yáng)N結(jié)加反向電壓截止:耗盡層變寬,阻止擴(kuò)散運(yùn)動,有利于漂移運(yùn)動,形成漂移電流。由于電流很小,故可近似認(rèn)為其截止。(2)PN反向偏置第16頁/共45頁
PN結(jié)加正向電壓時,呈現(xiàn)低電阻,具有較大的正向擴(kuò)散電流;
PN結(jié)加反向電壓時,呈現(xiàn)高電阻,具有很小的反向漂移電流,近似截止。
由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?7頁/共45頁3.PN結(jié)電流方程開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓其中IS——反向飽和電流UT
——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下(T=300K)第18頁/共45頁
當(dāng)u
比UT大幾倍時即呈現(xiàn)指數(shù)變化。
當(dāng)u<0時,且|u|比UT大幾倍時PN結(jié)電流方程討論第19頁/共45頁P(yáng)N結(jié)的擊穿特性
當(dāng)反向電壓超過U(BR)
后,|u|稍有增加時,反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿(Breakdown)。iu0-U(BR)第20頁/共45頁3.PN結(jié)的電容效應(yīng)(自學(xué))1.勢壘電容
PN結(jié)外加電壓變化時,空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化,有電荷的積累和釋放的過程,與電容的充放電相同,其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容
PN結(jié)外加的正向電壓變化時,PN結(jié)兩側(cè)靠近空間電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi),在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化,也有電荷的積累和釋放的過程,其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容:第21頁/共45頁4.2二極管、二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性第22頁/共45頁、二極管的基本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)封裝,引出兩個電極,就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管第23頁/共45頁二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型
二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小,結(jié)電容小,用于檢波和變頻等高頻電路。第24頁/共45頁(a)面接觸型(b)集成電路中的平面型(c)代表符號
(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大,用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型第25頁/共45頁2、二極管的伏安特性材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V(0.7)1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V(0.3)幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。第26頁/共45頁1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T(℃)↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑,U(BR)↓T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線二極管的伏安特性:第27頁/共45頁
電擊穿:
二極管的反向電流隨外
電路變化,反向電壓維
持在擊穿電壓附近
---穩(wěn)壓管由于功率過高造成破壞性的擊穿---熱擊穿二極管的反向擊穿:iu0-U(BR)第28頁/共45頁3.二極管的等效電路及其應(yīng)用由于二極管的非線性特性,當(dāng)電路加入二極管時,便成為非線性電路。實(shí)際應(yīng)用時可根據(jù)二極管的應(yīng)用條件作合理近似,得到相應(yīng)的等效電路,化為線性電路。1理想二極管模型2恒壓降模型3折線模型我們將用來等效二極管的線性電路稱為二極管的等效電路,即等效模型。應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!第29頁/共45頁二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD=0截止時IS=0導(dǎo)通時UD=Uon截止時IS=0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!將伏安特性折線化第30頁/共45頁交流小信號模型Q越高,rd越小。
當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時,則可將二極管等效為一個電阻,稱為動態(tài)電阻,也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流第31頁/共45頁1、二極管整流電路晶體二極管電路的應(yīng)用VRLuiuo(a)
電路tui
uot00(b)
輸入、輸出波形關(guān)系半波整流電路第32頁/共45頁
若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓,若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞,因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻!2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流
由一個PN結(jié)組成,反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變,為穩(wěn)定電壓。限流電阻第33頁/共45頁1.穩(wěn)定電壓UZ2.額定功耗PZ擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時,管子兩端的電壓值。由管子升溫所限定的參數(shù),使用時不允許超過此值。3.穩(wěn)定電流IZ4.動態(tài)電阻rZ5.溫度系數(shù)α在擊穿狀態(tài)下,兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量。一般為幾歐姆到幾十歐姆(越小越好)。2、穩(wěn)壓管主要參數(shù)第34頁/共45頁u
i≥E+UD(ON)
3、二極管限幅電路第35頁/共45頁=5mA,R=510Ω。假定輸入電壓變化范圍為18~24V,試確定負(fù)載電流的允許變化范圍。例4.2.1在圖的穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓管2CW14(UZ=6V,
=33mA)第36頁/共45頁
(1)計算和
UZ=6VR=510Ω輸入電壓變化范圍為18~24V=5mA,=33mA)第37頁/共45頁(2)計算及
由于,當(dāng)和
時,流過的電流最大,為了使穩(wěn)
壓管能安全工作,應(yīng)使因此
當(dāng)Ui=Uimin和IL=ILmax時,流過IZ的電流最小,為了穩(wěn)定輸出電壓,應(yīng)使
第38頁/共45頁因此
即IL的允許變化范圍為2.3~18.5mA。第39頁/共45頁第40頁/共45頁解:VDz被反向擊穿,使輸出電壓穩(wěn)定,故第41頁/共45頁第42頁/共45頁【例】電路如圖,R=1kΩ,VREF=3V,二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解,當(dāng)vI=6sintV時,繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。第43頁/共45頁【
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