1、,2 半導體器件基礎(chǔ),半導體 其導電性能介于絕緣體和導體之間且受外界因素 影響較大,如光,溫度和摻雜等。,半導體材料,制成電子器件的常用半導體材料 元素半導體：si，Ge等 化合物半導體：GaAs等 摻雜用半導體：B，P，Al等,硅和鍺的二維晶格結(jié)構(gòu)圖,半導體的共價鍵結(jié)構(gòu),硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖,本征半導體：純凈的不含雜質(zhì)的半導體,本征半導體及其導電作用,本征半導體的特點： 在0K時,呈絕緣體特征； 在TK時，受熱激發(fā)（本征激發(fā)）；產(chǎn)生電子空穴對； 有兩種載流子可以參與導電，即自由電子和空穴。,本征半導體的熱激發(fā)過程,（動畫1-1）,（動畫1-2）,載流子在晶格中的移動示意圖,1

2、. P型半導體 2. N型半導體,雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（3價或5價元素）會使半導體的導電性能顯著增強。,在Si（或Ge）中摻入5價元素（如磷P）,N型半導體結(jié)構(gòu)示意圖,N型半導體,N型半導體共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖,1. 總的空穴數(shù)=本征激發(fā)空穴 總的自由電子數(shù)=本征激發(fā)的自由電子數(shù)+ 雜質(zhì)原子 產(chǎn)生的自由電子 3. 自由電子為多數(shù)載流子 空穴為少數(shù)載流子(少子） 4. 所摻雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)（或N型雜質(zhì)、施主原子） 在無外電場時，呈電中性,N型半導體的特點,在Si（或Ge）中摻入少量3價元素（如硼、鋁、銦等）。,P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖,P型半導體,P型半導體的特點,電子數(shù)=本征激發(fā)

3、電子； 總的空穴數(shù)=本征激發(fā)的空穴數(shù)+雜質(zhì)原子 產(chǎn)生的空穴； 空穴為多數(shù)載流子， 電子為少數(shù)載流子(少子）； 所摻雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)（或P型雜質(zhì)、受主原子）； 在無外電場時，呈電中性,摻入雜 質(zhì)對本征半導體的導電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。,雜質(zhì)對半導體導電性的影響,漂移運動：載流子在電場作用下的定向運動。空穴順著電場方向運動，電子則反之。,擴散運動：載流子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動。,載流子的兩種運動,N 區(qū),P區(qū),PN結(jié)的結(jié)構(gòu),在一塊本征半導體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體

4、的結(jié)合面上形成PN結(jié)。,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)電場阻止多子擴散,最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。,多子的擴散運動,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,動畫13,PN結(jié)的形成過程,半導體二極管的結(jié)構(gòu),在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。,(1) 點接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,(3) 平面型二極管,(2) 面接觸型二極管,(b)面接觸型,(4) 二極管的代表符號,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,往往用于集成電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和

5、開關(guān)電路中。,A B C D,國產(chǎn)二極管型號命名,N型鍺材料,2 A P 1,二極管,普通管,規(guī)格號,N型鍺材料,P型鍺材料,N型硅材料,P型硅材料,W:穩(wěn)壓管，V：微波管,半導體二極管實物,單向?qū)щ娦?反向擊穿特性 伏安特性 開關(guān)特性,半導體二極管的特性,單向?qū)щ娦?（動畫1-4）,PN結(jié)加正向電壓時的導電情況,正向特性,當外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。,形成正向電流,多子向PN結(jié)移動,空間電荷變窄內(nèi)電場減弱,擴散運動大于漂移運動,PN結(jié)在外加正向電壓時的情況分析,外加電場與內(nèi)電場方向相反，削減內(nèi)電場的作用,PN結(jié)加正向電

6、壓時,低電阻 大的正向擴散電流,PN結(jié)加反向電壓時的導電情況,（動畫1-5）,反向特性,形成反向電流,多子背離PN結(jié)移動,空間電荷區(qū)變寬,內(nèi)電場增強,漂移運動大于擴散運動,PN結(jié)的外加反向電壓時的情況分析,外加電場與內(nèi)電場方向一致，增強內(nèi)電場的作用,PN結(jié)加反向電壓時,高電阻 很小的反向漂移電流,雪崩擊穿 齊納擊穿,反向擊穿特性,當外加的反向電壓大于一定的數(shù)值（擊穿電壓）時，反向電流急劇增加 ，稱為擊穿。,電擊穿:當反向電流與電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率時,稱為電擊穿，是可逆的。即反壓降低時,管子可恢復原來的狀態(tài)。,熱擊穿:若反向電流與電壓的乘積超出PN結(jié)的耗散功率,則管子會因為過熱而

7、燒毀,形成熱擊穿。,熱擊穿和電擊穿,二極管V-I特性,Vth（ Vr ）門限電壓或死區(qū)電壓 Si:0.5V Ge:0.1V,Vt=kT/q(熱電壓） 當T=300K時，Vt=26mV IS反向飽和電流,二極管V-I關(guān)系式,二極管的伏安特性曲線,Si管與Ge管V-I特性的差異,二極管反偏時截止，似開關(guān)斷開,開關(guān)特性,器件的參數(shù)是其特性的定量描述, 是正確使用和合理選擇器件的依據(jù)。,二極管的參數(shù),管子可以長期安全運行的反向工作電壓。,最大反向工作電壓VRM,最大正向工作電流IFM,管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流,定義:指管子流過額定電流IFM時二極管兩端的管壓降。,最大正向壓降VF,二

8、極管在反偏電壓為VRM時管子的漏電流。,最大反向電流IR,IR越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 勢壘電容CB,勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。,PN結(jié)的電容效應(yīng),(2) 擴散電容CD,擴散電容示意圖,擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。當外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容充放電過程。,高頻時二極管的等效電路,如何判斷二極管在電路中是導通的還是截止的,先假設(shè)二極管兩端斷開，確定二極管兩

9、端的電位差；,若電路出現(xiàn)兩個或兩個以上二極管，應(yīng)先判斷承受正向電壓較大的管子優(yōu)先導通，再按照上述方法判斷其余的管子是否導通。,根據(jù)二極管兩端加的是正電壓還是反電壓判定二極管是否導通，若為正電壓且大于閾值電壓，則管子導通，否則截止；,二極管工作狀態(tài)的判定,解：將二極管兩端斷開,所以二極管導通,二極管工作狀態(tài)的判定,解：將二極管兩端斷開,二極管D2導通后：,所以二極管D2先導通,所以二極管D1最終截止,作 業(yè),P258 P2.3,二極管的電路模型及其應(yīng)用舉例,2.1.5 二極管的電路模型,2.1.6 二極管的應(yīng)用舉例,2.1.5 二極管的電路模型,1. 理想模型,3. 折線模型,2. 恒壓降模型,

10、4. 小信號模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。,即,根據(jù),得Q點處的微變電導,則,常溫下（T=300K）,2.1.5 二極管的電路 模型,實例,1. 二極管的靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),P16 例2.1.61,2.1.6 應(yīng)用舉例,1. 整流電路,2. 限幅電路,3. 鉗位電路,P16 例2.1.62,2.1.7 特種二極管,1. 穩(wěn)壓二極管,2. 變?nèi)荻O管,3. 光電子器件,光敏二極管,發(fā)光二極管,激光二極管,穩(wěn)壓二極管,1. 符號及穩(wěn)壓特性,(a)符號,(b) 伏安特性,(1) 穩(wěn)

11、定電壓VZ,(2) 動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin,(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ,2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù),穩(wěn)壓二極管,當VZ 7 V時，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。,當VZ4 V時， VZ具有負溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。,rZ =VZ /IZ,穩(wěn)壓二極管,3. 穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時 VO =VZ,# 穩(wěn)壓條件是什么？,# 不加R可以嗎？,# 上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎樣的？,特種二極管,變?nèi)荻O管：二極管的結(jié)電容隨外加反向電壓的變化而變化,光敏二極管：二極管的反向電流隨外加的光照強度增大而增大,發(fā)光二極管（LED）：