模电演示文稿(第二章)

2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5稳压二极管2.2PN结的形成及特性2半导体二极管及其基本电路2.1半导体的基本知识一、半导体材料二、半导体的共价键结构三、本征半导体四、杂质半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。一、半导体材料2.1半导体的基本知识二、半导体的共价键结构硅晶体的空间排列2.1半导体的基本知识二、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2.1半导体的基本知识三、本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。2.1半导体的基本知识空穴的移动2.1半导体的基本知识四、杂质半导体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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。2.1半导体的基本知识1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,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正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2.1半导体的基本知识2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。2.1半导体的基本知识•本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质2.1半导体的基本知识2.2PN结的形成及特性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的反向击穿四、PN结的电容效应NP++++++++++++++++----------------在一块N型半导体（orPtype），用杂质补偿的方法掺入一定数量的3价元素（or5价元素）将这一部分区域转换成P型（或N型），则在它们的界面处便生成PN结。PN结是晶体二极管及其它半导体的基本结构，在集成电路中极其重要。ENP++++++++++++++++----------------一、PN结的形成2.2PN结的形成及特性显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：（一）空间电荷区(spacechargeregion)在N型和P型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的扩散运动：P型半导体中空穴→N区扩散→与N区中电子复合P区留下负离子→N区生成正离子N型半导体中电子（多子）→P区扩散→与P区空穴复合N区留下正离子→P区生成负离子。N区――则为正P区――则为负形成内建电场E伴随着扩散和复合运动在PN结界面附近形成一个空间电荷区：内建电场→形成少子的漂移运动N区中空穴→P区P区中电子→N区消弱内建电场ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------多子扩散运动→空间电荷区↑→内建电场E↑→少子漂移↑结果：多子扩散运动少子的漂移扩散电流漂移电流热平衡（动态平衡）PN结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成PN结。2.2PN结的形成及特性在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区2.2PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况•低电阻•大的正向扩散电流iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性2.2PN结的形成及特性iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性二、PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况•高电阻•很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V2.2PN结的形成及特性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二、PN结的单向导电性2.2PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性(3)PN结V-I特性表达式其中iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V)1(/SDDTVveIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV262.2PN结的形成及特性三、PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆2.2PN结的形成及特性2.3半导体二极管一、半导体二极管的结构二、二极管的伏安特性三、二极管的参数一、半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图2.3半导体二极管(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a一、半导体二极管的结构2.3半导体二极管二、二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDDTVveIi0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性2.3半导体二极管三、二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB2.3半导体二极管半导体二极管图片2.3半导体二极管2.3半导体二极管2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法一、二极管V-I特性的建模二、应用举例一、二极管V-I特性的建模1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型2.4二极管基本电路及其分析方法4.小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT一、二极管V-I特性的建模2.4二极管基本电路及其分析方法应用举例1.二极管的静态工作情况分析V0DVmA1/DDDRVI理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时mA93.0/)(DDDDRVVI恒压模型V7.0DV（硅二极管典型值）折线模型V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0Dr设V69.0DDthDrIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth（2）VDD=1V时（自看）2.4二极管基本电路及其分析方法例2.4.2提示应用举例2.限幅电路时V5.3)()1(REFthIVVv时V5.3)()2(REFthIVVvO+VREFI+RO+VthVREFI+RrDO+D(a)(b)VREFI+RO+VthVREFI+RrDO/VO/Vtt斜率斜率0.17rDrD+RVREF+Vth=3.5VI/V(c)(d)2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管一、稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。2.5特殊二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ2.稳压二极管主要参数一、稳压二极管2.5特殊二极管一、稳压二极管3.稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时VO=VZ#稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？#上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？2.5特殊二极管