秋低频电子线路常用半导体器件原理PPT课件.ppt

低频电子线路低频电子线路(3)(3)山东大学 信息科学与工程学院 刘志军1 1.回顾上节课回顾上节课n n第四章 常用半导体器件原理n n4.14.1半导体物理基础半导体物理基础n n物质按导电性能分类物质按导电性能分类n n半导体三大特性半导体三大特性n n本征半导体本征半导体n n共价键结构共价键结构n n两种载流子的概念两种载流子的概念n n载流子的产生载流子的产生n n杂质半导体杂质半导体n n半导体中的电流半导体中的电流2 2.本节课内容本节课内容n n4.2 PN结 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的击穿特性 PN结的电容特性 PN结的电阻特性 PN结的温度特性3 3.4.2 PN4.2 PN结结n nPN结是通过采用半导体工艺制作，使N型和P型半导体在其结合处（界面）所形成的一结合处（界面）所形成的一种特殊结构（薄层），它具有特殊的物理种特殊结构（薄层），它具有特殊的物理性质性质。n nPN结是构成半导体器件的核心结构核心结构。n nPN结是半导体器件的心脏心脏。4 4.PNPN结形成（图示）结形成（图示）5 5.4.2.1 PN4.2.1 PN结的形成结的形成n nPN结形成 的“三步曲三步曲”（1）多数载流子的 扩散运动扩散运动。（2）空间电荷区和少数载流子的 漂移运动漂移运动。（3）扩散运动与漂移运动的 动态平衡动态平衡。-精品课网站有动态演示6 6.势垒区的形成（图示）势垒区的形成（图示）7 7.空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层）n nPNPN结建立在在结建立在在N N型和型和P P型半导体的结合处，由于扩型半导体的结合处，由于扩散运动，失空穴和电子后形成不能移动的散运动，失空穴和电子后形成不能移动的负离子负离子负离子负离子和正离子状态和正离子状态和正离子状态和正离子状态，这个区域称为，这个区域称为 空间电荷区（空间电荷区（空间电荷区（空间电荷区（耗尽耗尽耗尽耗尽层）。层）。层）。层）。n nPNPN结结的的其它名称其它名称其它名称其它名称n n自建电场自建电场n n势垒区势垒区n n阻挡层阻挡层n nPNPNPNPN结很窄结很窄结很窄结很窄（几个到几十个（几个到几十个 m)m)。8 8.耗尽层的特点耗尽层的特点n n耗尽层的 区域范围大小 与掺杂浓度与掺杂浓度 有关n n对称结对称结（PNPN）n n非对称结非对称结（PNPN+或或 P P+NN）9 9.非对称非对称PN结结 1010.势垒区的作用势垒区的作用n n势垒区势垒区 使自由电子和空穴的扩散运动受阻（要爬一个高坡）。1111.自建电场自建电场n n其中 UT=KT/q，热当量电压热当量电压n n当 T=300K时，UT26mV1212.4.2.2 PN4.2.2 PN结的单向导电特性结的单向导电特性n n当外加电压时，PN结的结构将发生一些变化（空间电荷区的宽窄变化）。n n外加电压施加于PN结的不同方向，其效果是根本不同的。1313.(1)PN结外加正向电压结外加正向电压n n正向偏置正向偏置（Positive Biasing)n n正确接法：正确接法：P P接电源正，接电源正，N N接电源负接电源负n n产生效果：外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使 PNPN结变窄结变窄。n n扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动n n称为“正向导通正向导通”1414.PN结外加正向电压（图）结外加正向电压（图）1515.(2)PN结外加反向电压结外加反向电压n n反向偏置反向偏置(Negative Biasing)n n正确接法：正确接法：P P接电源负，接电源负，N N接电源正接电源正n n产生效果：外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PNPN结变宽结变宽。n n扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动n n称为“反向截止反向截止”1616.PN结外加反向电压（图）结外加反向电压（图）1717.(3)PN结电流方程结电流方程n n流过PN结的电流i与外加电压 u 之间关系为 i=IS（e qu/KT 1)=IS（e u/UT T 1)其中其中 U UT T=kT/q=kT/q I IS S-反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流1818.PN结伏安特性结伏安特性(Voltampere Characteristic)(Voltampere Characteristic)n n由上式 i=IS（e u/UT T 1）n n当u u为正时为正时 i IS（e+u/UT T）n nPNPN结外加正电压时，流过电流为正电压的结外加正电压时，流过电流为正电压的e e指指数关系。数关系。n n当u u为负时为负时 i=IS（e u/UT T 1）ISn nPNPN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。1919.PN结伏安特性结伏安特性n n单向导电性单向导电性(Unidirectional Conductibility)(Unidirectional Conductibility)n n 正向导通正向导通(Positive Conduction)(Positive Conduction)n n 反向截止反向截止(Negative Cut-off)(Negative Cut-off)2020.PN结伏安特性（图示）结伏安特性（图示）2121.4.2.34.2.3 PN结电阻特性和电容特性结电阻特性和电容特性n nPN结还存在 两种特性：n n电阻特性电阻特性(Resistance Characteristic)n n电容特性电容特性(Capacitance Characteristic)2222.(1)PN结电阻特性结电阻特性n n两种电阻n n静态电阻静态电阻静态电阻静态电阻 （直流电阻（直流电阻 DC Resistance）R=UD/ID动态电阻动态电阻动态电阻动态电阻（交流电阻（交流电阻 AC ResistanceResistance）r=u/i2323.PN结电阻特性结电阻特性(图）图）2424.PN结电阻特性结电阻特性n n可以看出静态电阻和动态电阻均与静态电阻和动态电阻均与 静态工静态工作点（作点（Q Q点）点）有关。有关。n n静态电阻（直流电阻）是工作点斜率的静态电阻（直流电阻）是工作点斜率的 割线割线割线割线(直线斜率的倒数）直线斜率的倒数）直线斜率的倒数）直线斜率的倒数）。n n动态电阻（交流电阻）是工作点斜率的动态电阻（交流电阻）是工作点斜率的 切线切线切线切线（切线斜率的倒数）（切线斜率的倒数）（切线斜率的倒数）（切线斜率的倒数）。2525.（2）PN结电容特性结电容特性n nPN结 还可呈现 电容效应电容效应 n n有两种电容效应n n势垒电容势垒电容(Barrier Capacitance)n n扩散电容扩散电容(Diffusion Capacitance)2626.势垒电容 CTn n是是PNPN结结 外加反向偏置外加反向偏置时，引起时，引起 空间电荷区空间电荷区体积的变化体积的变化（相当电容的极板间距变化和电荷（相当电容的极板间距变化和电荷量的变化）引起的量的变化）引起的电容效应电容效应。C CT T=dQ/du =dQ/du =C =CTOTO/(1 /(1 u/Uu/UB B)n n S/dS/d 其中其中:C:CTO TO 为外加电压为外加电压 u=0 u=0 时的时的C CT T；n n 为变容系数（决定为变容系数（决定于材料的杂质分布，一般取于材料的杂质分布，一般取 1/21/3 1/21/3）;U;UB B为为PNPN结内建电结内建电压。压。为介电常数，为介电常数，S S为为PNPN结面积，结面积，d d为耗尽层宽度。为耗尽层宽度。2727.势垒电容势垒电容CT原理（图）原理（图）2828.扩散电容 CDn n是PN结外加正向偏置时，引起 扩散浓度梯度变化 出现的电容（电荷）效应电容（电荷）效应。2929.扩散电容扩散电容CD（图）（图）3030.扩散电容扩散电容CDn nCD=Q/u =(Q n/u)+(Qp/u)(Q n/u)(对PN+结）(n i /uT)其中：其中：n n 为为P P区区 非平衡载流子平均寿命非平衡载流子平均寿命非平衡载流子平均寿命非平衡载流子平均寿命。i i 为为PNPN结电流。结电流。3131.结电容的量级结电容的量级n nCT和 CD 均在 PF量级：n n C CT T 一般在几一般在几 几十几十PFPF（在反偏时考虑）。（在反偏时考虑）。n n C CD D 一般在几十一般在几十 几百几百PFPF（在正偏时考虑）。（在正偏时考虑）。n n利用结电容可制成 变容二极管变容二极管。3232.PN结电容和结电阻综合考虑结电容和结电阻综合考虑n nPN结电容和结电阻是并联关系并联关系：n n正向时，电阻小，电容效应不明显。正向时，电阻小，电容效应不明显。n n反向时，电阻大，电容效应明显。反向时，电阻大，电容效应明显。n n故 电容效应主要在反偏时才真正予以电容效应主要在反偏时才真正予以考虑考虑。3333.PN结电容和结电阻综合考虑（图）结电容和结电阻综合考虑（图）rcj3434.4.2.4 PN4.2.4 PN结击穿特性结击穿特性 n n当对PN结 外加反向电压超过一定的限度，PN结会从 反向截止反向截止 发展到 反向击穿反向击穿。n n反向击穿破坏了反向击穿破坏了PNPN结的结的单向导电特性单向导电特性。n n利用此原理可以制成 稳压管稳压管。3535.PNPN结击穿特性（图）结击穿特性（图）3636.PNPN结击穿结击穿n nPN结击穿有 两种类型n n 热击穿热击穿n n 电击穿电击穿3737.（1 1）电击穿）电击穿n n电击穿是 可逆的可逆的（可以恢复，应有限流电阻）。n n电击穿 有 两种机理两种机理 可以描述：n n 雪崩击穿n n 齐纳击穿3838.雪崩击穿雪崩击穿n n特点如下：n n 低掺杂，n n PN结宽，n n 正温系数正温系数，n n常发生于大于常发生于大于7 7伏电压的击穿时伏电压的击穿时（雪崩效应）。3939.齐纳击穿齐纳击穿n n特点如下：n n 高掺杂，n n PN结窄，n n 负温系数，n n常发生于小于5伏电压的击穿时（隧道效应）。4040.特殊情况特殊情况n n在（在（5 57 7）V V 击穿发生时，两种击穿击穿发生时，两种击穿机理都有。机理都有。n n温度系数可达到最小。4141.(2)热击穿热击穿n n电击穿后如无限流措施，将会发生电击穿后如无限流措施，将会发生 热击穿热击穿 现象。现象。n n热击穿热击穿 会破坏PN结结构（烧坏）。n n热击穿热击穿 是不可逆不可逆的！4242.(3)二次击穿二次击穿n n除以上击穿现象外，还有一种特殊的击穿现象，即 二次击穿二次击穿。n n二次击穿二次击穿的 特点是管子 不发热。n n二次击穿二次击穿是 不可逆不可逆 的！4343.二次击穿曲线（图）二次击穿曲线（图）iv04444.4.2.5 4.2.5 PN结的温度特性结的温度特性n nPNPN结特性对温度十分敏感（热敏特性），反映到结特性对温度十分敏感（热敏特性），反映到伏安特性曲线上，是随温度升高，正向特性左移伏安特性曲线上，是随温度升高，正向特性左移（温度升高（温度升高1 1度，结电压约减少度，结电压约减少(22.5)mV(22.5)mV。反向特。反向特性下移性下移(温度升高温度升高1010度，度，I IS S增大一倍）。增大一倍）。n nu/u/T T (22.5)mV/(22.5)mV/0 0C Cn n I IS2S2 =I =IS1S12 2(T2(T2T1)/10T1)/10n n温度升高到一定度数，温度升高到一定度数，PNPN结将不复存在。结将不复存在。n n材料温度极限条件：材料温度极限条件：n nG Ge e 材料，（材料，（7510075100）0 0C Cn nS Si i 材料，（材料，（150200150200）0 0C C4545.思考题和练习题思考题和练习题n n简要说明简要说明PNPN结的形成过程。结的形成过程。n n解释解释PNPN结伏安特性曲线和单向导电性？结伏安特性曲线和单向导电性？n nPNPN结电阻有哪些类型？各是如何定义的？和直流结电阻有哪些类型？各是如何定义的？和直流偏置有什么关系？偏置有什么关系？n nPNPN结电容有哪些类型？各有何特点？和结电阻是结电容有哪些类型？各有何特点？和结电阻是何种关系？什么时候要重点考虑哪一种何种关系？什么时候要重点考虑哪一种PNPN结电容结电容？n nPNPN结击穿有哪几种？各有何特点？电击穿能否恢结击穿有哪几种？各有何特点？电击穿能否恢复正常？复正常？n n随温度变化时，随温度变化时，PNPN结的结电压和反向漏电流如何结的结电压和反向漏电流如何发生变化？发生变化？4646.下节预习下节预习n n4.3 晶体二极管及其基本电路n n4.4 其它二极管简介 4747.本节结束本节结束(148)n谢谢！4848.