半導(dǎo)體二極管和晶體管1

§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【