第1章_半导体基础及二极管电路.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,第一章：,半导体基础及二极管电路,北京邮电大学电信院电路与系统中心,Gdeng,内容提要,内容提要,半导体材料的基本物理特性及,PN,结原理,半导体二极管的结构及工作特性,几种特殊二极管,二极管基本应用电路及其分析方法,物质的分类,导体,(,电阻率小于,),绝缘体,(,电阻率大于,),半导体（电阻率介于两者之间）,典型的半导体：如,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等,按照导电能力的差别，可以将物质分为：,第一节：半导体的基本特性,半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化,掺杂特性,热敏特性,光敏特性,注意：决定物质导电性能的因素？,本征半导体中的共价键结构,(,一,),价电子,Si,硅原子,Ge,锗原子,+4,价电子,惯性核,第一节：半导体的基本特性,完全纯净、结构完整的半导体晶体，被称为,本征半导体,本征半导体中的共价键结构,(,二,),在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子：,+4,+4,+4,+4,晶体中的共价键结构,价电子,共价键,惯性核,第一节：半导体的基本特性,晶格的含义：,本征激发及空穴的移动,+4,+4,+4,+4,当温度很低，没有激发时，半导体不能导电,当温度逐渐升高或有足够光照时，将有少数价电子获得足够能量，可以克服共价键的束缚而成为,自由电子,，使得本征半导体具有了微弱的导电能力,产生自由电子后，在原有的共价键中形成,空穴,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,带正电,带负电,可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现空穴的移动,第一节：半导体的基本特性,载流子的含义,自由电子与空穴均可视为,载流子,，但所携带,电荷的极性不同,在,本征半导体,中，自由电子与空穴总是,成对出现,，成为电子-空穴对,从而,两种载流子的浓度相等,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,载流子：载运电流的粒子,电子浓度：,空穴浓度：,电子与空穴的复合及动态平衡,第一节：半导体的基本特性,本征半导体中载流子浓度的影响因素,半导体材料,本身的性质,随着,温度,的升高基本上按照指数规律增加,第一节：半导体的基本特性,杂质半导体,在本征半导体中掺入某种特定的杂质（,掺杂,），成为杂质半导体后，可以使其导电性能发生,质的变化,根据所掺元素的不同，又可将掺杂后的半导体分为,N,型,半导体（掺入5价元素）和,P,型,半导体（掺入3价元素）,增加载流子的数量,提高导电率,注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构,第一节：半导体的基本特性,N,型半导体及其性质,+4,+5,+4,+4,自由电子,施主杂质,对于,N,型半导体来说，其中的电子浓度大大高于空穴的浓度，又被称为,电子型半导体,。其中的5价杂质被称为,施主杂质,N,型半导体中:,电子为多数载流子（,多子,），主要由杂质原子提供,空穴为少数载流子（,少子,），主要由热激发产生,+,N,型半导体表示,不能导电,第一节：半导体的基本特性,P,型半导体及其性质,+4,+3,+4,+4,空位,受主杂质,对于,P,型半导体来说，其中的空穴浓度大大高于电子的浓度，又被称为,空穴型半导体,。其中的3价杂质被称为,受主杂质,P,型半导体中:,空穴为多数载流子,电子为少数载流子,多子,少子,N,型半导体,电子,空穴,P,型半导体,空穴,电子,P,型半导体表示,不能导电,第一节：半导体的基本特性,杂质半导体的性质,在杂质半导体中：,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,N,型半导体的简化表示法,P,型半导体的简化表示法,多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度,少子的浓度主要取决于温度,半导体杂质的补偿原理,存在着自由电子、空穴和杂质离子三种带电粒子,第一节：半导体的基本特性,载流子在半导体中的运动,第一节：半导体中的载流子及其运动,当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电特性,在外加或内建电场作用下，载流子将有定向的,“,漂移运动,”,并产生,漂移电流,当载流子浓度分布不均匀时，将从高浓度区域向低浓度区域做定向运动，即,“,扩散运动,”,，同时产生,扩散电流,半导体中的电流为漂移电流与扩散电流之和,PN,结的形成,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,在一块半导体单晶的一边掺入施主杂质，制成,N,型,半导体；在另一边掺入受主杂质，制成,P,型,半导体。在两种杂质半导体的,交界面,处即形成了,PN,结,当,P,区和,N,区连接在一起构成,PN,结时，半导体的现实作用才真正发挥出来,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,PN,结的内电场与两种运动,阻挡层,(,势垒层,),：阻挡多子的扩散运动，但引起少子的漂移运动,空间电荷区,内建电场,扩散,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,漂移,耗尽层,阻挡层,高阻区,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结中两种运动的动态平衡,(,一,),空间电荷区,内建电场,扩散,漂移,耗尽层,阻挡层,多子的扩散运动形成扩散电流，并增加空间电荷区的宽度,少子的漂移运动形成漂移电流，并减小空间电荷区的宽度,当两种运动到达,平衡时,，空间电荷区的,宽度,也达到,稳定,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结中两种运动的动态平衡,(,二,),空间电荷区,内建电场,扩散,漂移,耗尽层,阻挡层,动态平衡时交界面两侧的空间电荷量、空间电荷区宽度、内建电场等参量均为常数，且与半导体材料、掺杂浓度、温度有关,耗尽层为高阻区，空间电荷区以外的区域为低阻区,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,总结：,PN,结形成的过程,空间电荷区,内建电场,扩散,漂移,耗尽层,阻挡层,浓度差,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,多子的扩散运动,形成空间电荷区,形成内电场,促使少子漂移，阻止多子扩散,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结的接触电位差与势垒宽度,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,接触电位差,：阻挡多子的扩散运动，又称为,“,电位势垒,”,或,“,势垒,”,空间电荷区,内建电场,势垒区的宽度主要是分布在掺杂浓度低的一侧,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结外加正向偏置电压时的特性,(,一,),P,N,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,内电场,P,区接电源正极，,N,区接电源负极时，为正向接法（正偏）,外电场,势垒区的电位差减小,阻挡层内的合成电场减小,空间电荷总量减小,空间电荷区变窄,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结外加正向偏置电压时的特性,(,二,),P,N,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,内电场,外电场,扩散电流加大,漂移电流基本不变,正向电流的方向为由,P,区至,N,区，且随外加正向电压增加而增加,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,？,注意：,PN,结上的电压与外加正向电压和中性区电压之间的关系,PN,结外加反向偏置电压时的特性,P,N,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,内电场,P,区接电源负极，,N,区接电源正极时，为反向接法（反偏）,外电场,势垒区的电位差增加,阻挡层内的合成电场增加,空间电荷总量增加,空间电荷区变厚,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,反向电流又被称为反向饱和电流，且对温度变化非常敏感,PN,结的单向导电性,PN,结加正向电压时，呈现低的正向电阻，具有较大的正向电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变,PN,结加反向电压时，呈现高的反向电阻，具有很小的反向电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化,由此可以得出结论，,PN,结具有,单向导电性,：,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,即可以认为二极管正向导通，反向截止,二极管的结构与类型,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的电路符号：,：温度电压当量。当在室温条件下,T=300K,时，约为,26mV,：外接电压,：反向饱和电流,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的电流方程,若为正偏且 ，则有,若为反偏且 ，则有,应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别,理想特性,实际特性,二极管的伏安特性,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,正向工作区：,阈值电压 的含义,反向工作区,反向击穿区,反向击穿电压,二极管的反向击穿特性,：反向击穿电压,击穿,电击穿,热击穿,电击穿,齐纳击穿,雪崩击穿,齐纳击穿：掺杂高，击穿电压小于,6V,雪崩击穿：掺杂低，击穿电压大于,6V,(,可逆,),热击穿：,反向高压,反向大电流,结温升高,载流子增多,反向电流增大,功耗增大,。,(,不可逆,),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的温度特性,温度升高时，反向电流增大,工程上可近似认为温度每增加,10,摄氏度，约增大一倍,温度升高时，正向伏安特性左移,工程上可近似认为电流保持不变时，温度每增加,1,摄氏度，二极管压降约减小,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结电容,-,产生原因,产生原因：,PN,结两端电压发生变化时，空间电荷区内的电荷量将随之变化,PN,结正偏时，由于载流子的扩散，会在中性区内形成非平衡载流子的存储，且存储电荷量与外加正偏电压的大小有关,这些积累的电荷随着外加电压的变化而变化，即表现为二极管的电容效应（即,等效,）,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结电容,-,势垒电容,势垒电容,描述的是势垒区内的空间电荷随,PN,结外加电压变化而产生的电容效应，用 表示,势垒电容是,非线性电容,，将随着外加电压的变化而改变,可以据此制成专用的变容二极管。变容二极管皆应用在反向偏置状态,反偏时空荷区扩大，等效平板电容的距离增加；正偏时空荷区变小，等效平板电容的距离减小,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结电容,-,扩散电容,扩散电容也是,非线性电容,，将随着外加电压的变化而改变,当,PN,结正向偏置时，载流子穿过势垒区向两侧扩散，在势垒区两侧的中性区将产生由非平衡载流子造成的电荷积累。在电压变化时，积累的电荷发生变化，该效应即为,扩散电容,效应，用 表示,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN,结电容,-,总结,势垒电容与扩散电容为,并联,，,PN,结电容为两者之和：,正向偏置时,PN,结电容以扩散电容为主，反向偏置时以势垒电容为主,PN,结的电容效应将,影响,晶体管的响应速度和高频特性,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的主要参数,最大整流电流,最高反向工作电压,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值,二极管工作时允许外加的最大反向电压,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,反向电流,二极管未击穿时的反向电流,最高工作频率,二极管的上限工作频率,使用二极管参数时的注意事项：温度的影响、参数的分散性,特殊二极管：稳压二极管,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,正常情况下，工作于反向击穿区。反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，从而具有稳压作用,反向击穿电压,最小允许电流,最大允许电流,动态电阻：,稳压管在使用时应串接限流电阻以保证反向电流值在合适范围内,特殊二极管：其它类型,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,变容二极管：在高频电路中应用较多,肖特基二极管：内部为金属半导体结，也具有单向导电性,工作速度快,正向导通电压较低，反向击穿电压较低,体电阻较小,光电子器件,(,一,),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,原理：半导体材料的光电转换性质,发光二极管：将电能转换为光能的器件,光敏,(,电,),二极管：将光能转换为电能的器件,光电耦合器：可实现信号的光传输,也可在两者之间使用光纤连接,光电子器件,(,二,),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,激光二极管：效率高，产生的是准直单色光束,二极管的等效电阻：静态电阻,第三节：半导体二极管电路,由二极管、线性元件和独立电源构成的电路称为二极管电路，属于,非线性电路,当电路中只有直流电源、没有信号源时，二极管对外呈现的直流电阻称为,静态,电阻,当管子的工作电流和电压都确定后就在特性曲线上确定了静态,(,直流,),工作点,Q,二极管的等效电阻：动态电阻,第三节：半导体二极管电路,动态电阻：微变电阻或交流电阻。表示,小信号,工作情况下，,交流,电流与,交流,电压的变化关系,温度的电压当量,工作点电流,模型的基本概念,能够近似表征器件特性的图表、曲线、函数表达式，或者由基本电路元件构成的电路都可以称为器件的模型,第三节：半导体二极管电路,用数学表达式来表征器件特性的模型称为,数学模型,；用基本电路元件（如电阻、电容、电感）以及独立电源和受控源构成的模型，称为器件的,网络模型,器件模型的精度越高，模型的结构越复杂，要求的模型参数也越多，分析电路时计算量就越大,二极管的模型,第三节：半导体二极管电路,数学模型,理想化模型,恒压降模型,分段线性模型,交流小信号模型,采用模型法分析二极管应用电路,第三节：半导体二极管电路,根据电路的具体情况,选,择合适的二极管,模型,，从而把非线性电路转化为,线性,电路并采用线性电路的分析方法进行分析计算,对于直流电路和大信号工作电路，通常采用理想模型或者恒压降模型进行分析,对于既有直流电源又有小信号源的电路，一般首先利用恒压降模型进行静态分析，估算电路的,Q,点；然后根据,Q,点计算出交流电阻；再用小信号模型法进行动态分析，求出小信号作用下的交流电压、电流；最后，将交流量与静态值相叠加，得到完整的结果。,二极管模拟电路：整流电路,(,一,),第三节：半导体二极管电路,利用电子器件的单向导电性将交流电变为直流电的过程称为,整流,最简单的,半波,整流电路及其工作波形,可用滤波器滤除输出电压的交流成分，获得直流电压,二极管模拟电路：整流电路,(,二,),第三节：半导体二极管电路,全波,整流电路及其工作波形,二极管模拟电路：限幅电路,(,一,),第三节：半导体二极管电路,按照规定的范围，将输入信号波形的一部分传送到输出端、而将其余部分消去的过程称为限幅,一般利用器件的开关特性实现限幅,限幅器应能够鉴别信号的幅度，其传输特性必须具有线性区和限幅区,：下门限,：上门限,具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路，仅有一个门限的称为单向限幅电路。其中，仅有上门限的称为上限幅电路，仅有下门限的称为下限幅电路,二极管模拟电路：限幅电路,(,二,),第三节：半导体二极管电路,，二极管导通，,，二极管截止，,以上两图为上限幅电路,若改变二极管极性则可得下限幅电路,二极管模拟电路：限幅电路,(,三,),第三节：半导体二极管电路,双向限幅电路,二极管模拟电路：稳压电路,第三节：半导体二极管电路,R,为限流电阻，其阻值的选择应使稳压二极管工作在稳压区,这种电路稳压工作的原因在于当稳定电流 有较大幅度的变化 时，稳定电压的变化 却很小,故当 或 变化时，电路能自动地调整 的大小，以改变 上的压降，达到维持输出电压 基本恒定的目的,稳压过程简述,二极管模拟电路：钳位电路,第三节：半导体二极管电路,将周期信号波形的某一部分固定在一个选定的电位上，而信号其余部分波形形状保持不变。即使整个信号电压直流平移，平移程度取决于电路,主要原理：二极管导通与截止时的电阻不同，从而电路的充放电时间常数不同，即,“,快充慢放,”,当输入为方波呢？,二极管开关电路,(,一,),第三节：半导体二极管电路,二极管与门,当输入电压中只要有一个为低电平，则输出为低电平；只有当所有输入电压均为高电平时，输出才为高电平,二极管开关电路,(,二,),第三节：半导体二极管电路,二极管或门,当输入电压中只要有一个为高电平，则输出为高电平；只有当所有输入电压均为低电平时，输出才为低电平,