模电第一章课件

第一章常用半导体器件自然界中物质按导电能力分为三大类：导体—很容易导电的物质。如银、铜、金、铝。绝缘体—很不容易导电的物质。如塑料、陶瓷。半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间。如锗、硅。1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子本征半导体的共价键结构共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。二、本征半导体的晶体结构将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴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，称为空穴。三、本征半导体中的两种载流子自由电子和空穴数目相等运载电荷的粒子称为载流子。本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体的特殊性质。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。pi=ni=常数常温300K时：电子空穴对的浓度硅：310cm1043.1锗：313cm1038.2自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴四、本征半导体中的载流子的浓度这一现象称为本征激发，也称热激发。1.1.2杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。由于杂质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电。多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5一、N型半导体在纯净的硅晶体中掺入5价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。多数载流子——自由电子少数载流子——空穴这种杂质半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。二、P型半导体由于杂质原子的最外层有3个价电子，所以当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个空穴。因此，P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4在纯净的硅体中掺入3价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。多数载流子——空穴少数载流子——自由电子1.1.3PN结采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。当空间电荷区形成后，在内电场作用下，少子产生漂移运动。当参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。一、PN结的形成物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动（多子）。内电场E－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子，N区出现正离子，他们是不能移动的，称为空间电荷区。在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动（少子）。少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0二、PN结的单向导电性如果在PN结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。此时，扩散电流不再等于漂移电流，因而PN结将有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流1.PN结外加正向电压时处于导通状态加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流Is+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故Is基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但Is与温度有关。2.PN结外加反向电压时处于截止状态PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。三、PN结的电流方程理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为式中，为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。将式中的kT/q用UT取代，则得在T=300K(室温)时，UT=26mV。)1(kTquseIisI)1(TUuseIi四、PN结的伏安特性当反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。PN结的伏安特性如图所示：正偏IF（多子扩散）Is（少子漂移）反偏1、齐纳击穿在高掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空穴对，致使电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿。2、雪崩击穿在掺杂浓度较低的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子—空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。注：无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。五、PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。空间电荷区－－W－++－－－+R+E++PN1.势垒电容CbPN结处于平衡状态时的少子数称为平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面的地方浓度低，形成一定的浓度梯度，从而形成扩散电流。在扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd。结论：PN结具有电容效应，其总电容即结电容。Cj=Cb+Cd电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）2.扩散电容Cd将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线结构NP符号阳极+阴极-1.2.1半导体二极管的几种常见结构本节将介绍二极管的结构、特性、主要参数及特殊二极管的功能。1、点接触型二极管PN结面积小，结电容小，通过信号频率高适用于高频电路和小功率电路N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝2、面接触型二极管PN结结面积大，流过的电流较大，通过信号频率低，适用于工频大电流整流电路。负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座3、平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅硅：0.5V锗：0.1V1、正向特性导通压降反向饱和电流2、反向特性死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅:０.６～０.８V锗:0.１～0.3V1.2.2二极管的伏安特性3、温度对二极管伏安特性的影响：二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。1.2.3二极管的主要参数为了描述二极管的性能，常引用以下几个主要参数：（1）最大整流电流IF：IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关，若超过此值，则将因温升过高而烧坏。（2）最高反向工作电压UR：UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。通常UR为击穿电压的一半。（3）反向电流IR：IR是二极管未击穿时的反向电流。IR愈小，二极管的单向导电性愈好。（4）最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率。超过此值时，二极管将不能很好地体现单向导电性。（5）动态电阻rd：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。在二极管工作点附近,电压的微变值ΔＵ与相应的微变电流值ΔＩ之比为rd,即（6）正向压降Uf：在规定的正向电流下，二极管的正向压降，硅管约0.6~0.8V;锗管约0.1~0.3V。IUrd求动态电阻1.2.4二极管的等效电路二极管的伏安特性具有非线性，这给二极管应用电路的分析带来一定的困难。为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型。(a)理想二极管(b)正向导通时端电压为常量(c)正向导通时端电压与电流成线性关系一、由伏安特性折线化得到的等效电路例：IR10VE1kΩ)1(eTSUuIiD—非线性器件iu0iuRLC—线性器件Riu二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型DUuDUuUD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型ui正偏反偏-+iu导通压降二极管的V—A特性-+iuiu0二、二极管的微变等效电路当二极管外加直流正向偏置电压时，将有一直流电流，曲线上反应该电压和电流的点为Q点，如图（a）中所标注。这时，将二极管等效成一个动态电阻，且图b为二极管的微变等效电路，在小功率二极管中广泛应用。DDdiur半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2.5稳压二极管稳压二极管有着与普通二极管相似的伏安特性，如图(a)所示，其正向特性为指数曲线。稳压管的符号及等效电路如图(b)所示。一、稳压管的伏安特性二.稳压管的主要参数(1)稳定电压Uz:是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。(2)稳定电流Iz：是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于此值时稳压效果变坏。(3)额定功耗Pzm：等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izm的乘积。(4)动态电阻rz：是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比。(5)温度系数α：α表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=△UZ/△T。1.2.6其它类型二极管具有单向导电性，当有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，它的电特性与一般二极管类似。但是开启电压比普通二极管的大。一、发光二极管二.光电二极管在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。有