第_1_章.1二极管基础知识(详细).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,参考书,1.,电路与模拟电子技术基础,林青、林微、顾樱华等编,科学出版社,2.,电路基础与模拟电子技术,李树雄编著,北京航空航天大学出版社,主要内容：基尔霍夫定理、电路变换、戴维宁、诺顿定理,3.,电子线路,（线性部分）（第四版）谢嘉奎主编,高等教育出版社,4.,现代电子线路,王志刚主编,清华大学、北京交通大学出版社,主要内容：半导体器件、半导体电路及其工作原理,5.,模拟电子技术基础,问答,例题,试题,陈大钦主编,华中科技大学出版社,6.,模拟电子技术基础,第三版 全程辅导 苏志平主编,中国建材工业出版社7.,模拟电子技术,典型题解析与实战模拟 邹逢兴主编,清华大学、北京交通大学出版社,8.,模拟电子技术,学习指导与习题精解 朱定华、吴建新、饶志强编著,清华大学、北京交通大学出版社,9.,电子线路,（第四版）教学指导书 汪胜宁、程东红主编,高等教育出版社,主要内容：半导体电路的工作原理及其习题,第,1,章,半 导 体器 件 与 模 型,1.1,半导体的导电特性,1.2 PN,结,1.3,半导体二极管电路的等效模型及分析方法,1.4,半导体三极管,1.5,场效应管,1.1,半导体的导电特性,半导体具有某些特殊性质：如光敏热敏及掺杂特性,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,硅原子的序数为,14,，锗为,32,1.1.1,本征半导体,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,共用,一对价电子,。,硅和锗的晶体结构：,1.,原子结构及简化模型,2.,本征半导体和本征激发,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,本征半导体：,半导体晶体结构,共价键,有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是,8,个,，构成稳定结构。,共价键,中的,两个电子,被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，大多数半导体在常温下束缚电子很难脱离共价键。,本征激发,当温度超过常温时，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，这种现象称为本征激发。,本征激发,热激发,价电子获得足够的能量脱离共价键的束缚,自由电子,共价键上形成空穴,自由电子,-,空穴对,本征半导体中外界激发产生的自由电子和空穴总是成对出现，两者数目相同。,自由电子,-,空穴对,本征半导体的载流子,价电子移动,载流子,空穴移动？,出现,空穴,临近价电子填补到空穴中,在新位置留下空位,空穴迁移,相当于,正电荷的移动,空穴是载流子。,自由电子跳入空穴，重新为共价键束缚，使,自由电子和空穴两者同时消失的现象,复合,本征半导体中存在数量相等的两种,载流子,，即,自由电子和空穴,。,3.,本征半导体中载流子浓度,温度一定,时，载流子的,产生和复合,将达到,动态平衡,，此时载流子浓度为一热平衡值，温度升高，本征激发产生的载流子数目将增加，但同时复合作用也增加，载流子的产生和复合将在新的更大浓度值的基础上达到动态平衡。,动态平衡时载流子浓度,本征激发中有,可以证明,:,本征半导体的导电能力很弱。？,本征半导体的特点,温度越高,载流子的浓度越高,导电能力越强,半导体性能受温度影响。,硅的本征载流子浓度,锗的本征载流子浓度,硅的原子密度,如何提高本征半导体的载流子浓度？,1.1.2,杂质半导体,通过掺杂来改善本征半导体的导电能力。,在本征半导体中人为掺入某种,“,杂质,”,元素形成的半导体。,杂质半导体,所掺入,5,价,元素称为,施主,杂质，或,N,型,杂质。,1.,N,型半导体,在本征,S,i,中掺入微量,5,价,元素元素后形成的杂质半导体称为,N,型,半导体。,N,型半导体动态平衡载流子浓度,杂质半导体中，,多子,浓度近似等于杂质浓度，,少子,浓度与杂质浓度成反比与本征半导体载流子浓度的平方成正比,N,型半导体中，自由电子为,多子,（多数载流子），空穴为,少子,（少数载流子）。,2.P,型半导体,所掺入,3,价,元素称为,受主,杂质，或,P,型杂质。,在本征,G,e,中掺入微量,3,价,元素后形成的杂质半导体称为,P,型,半导体。,杂质元素能否成为载流子？,P,型,半导体中,多子,空穴,P,型半导体动态平衡载流子浓度,温度一定时，两种载流子的产生和复合,将达到平衡。,P,型半导体中，空穴为,多子,（多数载流子），自由电子为,少子,（少数载流子）。,少子浓度随温度的变化是影响半导体器件性能的主要原因。,温度上升,时，,多子浓度几乎不变,，而,少子浓度,则,迅速增加,。,1.1.3,半导体中的漂移电流和扩散电流,漂移电流形成的条件？,扩散电流,形成的条件？,自由电子形成的电流？,空穴形成的电流？,1.,漂移电流,外加电场时，载流子在电场力的作用下形成定向运动，称为漂移运动，并由此产生电流称为漂移电流。,漂移电流为两种载流子漂移电流之和，,方向与外电场一致,。,漂移电流密度,电子漂移电流密度：,空穴漂移电流密度：,（通过单位截面积的漂移电流）,总的漂移电流密度：,？,2.,扩散电流,半导体中出现载流子的浓度差时，载流子由高浓度区域向低浓度区域所作的定向运动称为扩散运动，由此形成的电流称为扩散电流。,扩散电流密度,迁移率与扩散系数的关系,迁移率,与扩散系数,D,表示半导体中载流子定向运动的难易程度,影响半导体器件的工作频率。,两者之间遵循爱因斯坦关系式：,1.2 PN,结,1.2.1,动态平衡时的,PN,结,同时两类半导体中还存在少量电子空穴对，但其中正负电荷数量相等，呈,电中性,。,室温下，,N,型半导体中,含施主杂质,，并电离为自由电子和正离子,P,型半导体中含,受主杂质,，并电离为空穴和负离子。,1.PN,结的形成,将,P,型和,N,型半导体采用特殊工艺制造成半导体,半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为,PN,结。,空间电荷区,PN,结,空间电荷区,耗尽层,阻挡层,势垒区,内建电场,内电场,E,：,N,区,P,区,内电场,E,的影响,（,1,）阻止两区多子的扩散；,（,2,）促使两区少子越结漂移；,（,3,）扩散电流减小，漂移电流增加，漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。,阻挡层宽度与阻挡层两边的电荷量有关？,空间电荷区,阻挡层,阻挡层宽度可反映内建电场强度,，当,PN,结交界面处的截面积,S,一定时，阻挡层越宽，形成的带电离子电荷量越大。,阻挡层在,P,区边的,负,电荷量为：,阻挡层在,N,区边的,正,电荷量为：,两者的绝对值相等,阻挡层两侧的宽度与掺杂浓度的关系：,阻挡层在任一侧的宽度与该侧掺杂浓度成反比。即掺杂浓度低的一侧阻挡层宽。,阻挡层主要向参杂浓度低的一侧扩展,动态平衡时的,PN,结,扩散进一步进行，空间电荷区内的离子数增多，电场,E,增强，漂移电流增大，当扩散电流,=,漂移电流时，达到平衡状态，形成,PN,结。,电子、空穴的扩散电流和漂移电流均等值反向；,动态平衡,PN,结：,无净电流流过,PN,结,空间电荷区宽度不变：,结区内正、负离子数量相等；,空间电荷区外的,P,、,N,区处于热平衡状态 且保持,电中性,。,2.,内建电位差,两中性区,没有电场,结边界处,电场强度为零,交界面处,电场最强,内建电位差：,各点的电场强度为该点电位梯度的负值,1.,正向特性,1.2.2 PN,结的导电特性,P,区,接高电位,（,正,电位）,N,区,接低电位,（,负,电位）,PN,结外加直流电压,V,F,将引起阻挡层的变化？,正偏时，各电量的变化？,PN,结正偏时：,阻挡层变薄,？,正偏正向电流,多子扩散运动形成的扩散电流,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流,PN,结正偏时：,外加正偏置电压时载流子浓度分布变化,在正向偏置电压的作用下，,P,区中的多子空穴将源源不断地通过阻挡层注入到,N,区，成为,N,区中的非平衡少子，并通过边扩散、边复合，在,N,区形成非平衡少子的浓度分布曲线,PN,结正偏时：,在,N,、,P,区均形成非平衡少数载流子浓度分布,PN,结正偏时，通过,PN,结的电流是由两个区的多子通过阻挡层的扩散而形成自,P,区,流向,N,区,的,正向电流,I,F,。,当外加电压,V,F,升高时，,PN,结的内电场进一步减弱，扩散电流随之增加，且呈,指数增长,。,正偏时，,PN,结呈现为一个小电阻,为了保证整个闭合回路中电流的连续性，外电源必须源源不断地向,P,区,和,N,区,补充扩散和复合中损失的空穴和自由电子,.,PN,结承受的电压：,PN,结反偏：,P,区,接低电位,（,负,电位）,N,区,接高电位,（,正,电位）,2.,反向特性,PN,结反偏：,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的电流。,反向电流,反偏,I,s,称为反向饱和电流,PN,结反偏：,硅,PN,结的,I,s,为,p A,级，,温度,T,增加,I,s,增大,？,反偏时，,PN,结呈现为一个大电阻,正偏,加,正向电压,反偏,加,反向电压,PN,结的单向导电性,1),在杂质半导体中多子的数量与,（,a,.,掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2),在杂质半导体中少子的数量与 。,（,a,.,掺杂浓度、,b,.,温度）有关。,3),当温度升高时，少子的数量 。,（,a,.,减少、,b,.,不变、,c,.,增多）,4),在外加电压的作用下，,P,型半导体中的电流主要是 ，,N,型半导体中的电流主要是 。,（,a,.,电子电流、,b,.,空穴电流）,思考题：,故有,3.PN,结的伏安特性,一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大于,V,T,，正向电流远大于,I,s,，则可得,近似估算,正向：,反向：,陡峭,电阻小正向导通,特性平坦,反向截止,一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,非线性,PN,结正偏时,:,正向伏安特性,正向伏安特性,12.3 PN,结的击穿特性,反向伏安特性,外加反向电压不太大时，反向电流很小,PN,结的击穿有,雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿,等。,PN,结的反向击穿：,当反向电压增大到一定值时,反向电流急,剧增大的现象。,击穿时对应的反向电压。,如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量出现倍增效应，载流子浓度增长极快，使反向电流急剧增大，这个过程像雪崩一样。,阻挡层愈宽，要达到碰撞电离所要求的电,场强度就愈大，因而,雪崩击穿的电压较高,，其,值随掺杂浓度的降低而增大。,1.,雪崩击穿,场致激发在极短的时间内，使阻挡层内载,流子浓度剧增，从而反向电流急剧增加。,齐纳击穿发生在,掺杂浓度较高,的,PN,结中，,相应的,击穿电压较低,，且其值随掺杂浓度的增,加而减少。,2.,齐纳击穿,雪崩击穿电压随温度升高而提高，具有,正,的温度系数。,齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有,负,的温度系数。,通过上述讨论可见，两种击穿电压的温度系数恰好相反。,一般,6V,以下,的击穿属于,齐纳击穿,，而高于,6V,的击穿主要是雪崩击穿。,当,PN,结的稳定电压在,6V,左右,时，两种击穿将,同时发生,，它的温度系数可接近于零。,热击穿,不可逆,电击穿,可逆,1.2.4 PN,结的电容特性,在,PN,结两端外加电压时，外加电压的变化将引起结区内和结边界处电荷量的变化，这种变化量的比值,d Q,d V,呈现出电容的效应。,因此PN,结的电容,C,j,包含势垒电容,C,T,和扩散电容,C,D,。,PN,结的结电容,PN,结,反偏电压,的变化引起结区内,电荷量的增、减效应与极板电容的充放,电非常相似，故将这种效应等效为,势垒,电容,，用,C,T,表示。,1.,势垒电容,C,T,由于结区内电荷量,Q,随外加反偏电压的变化是非线性的关系，,C,T,与外加反偏电压之间呈现非线性的特性。,变容特性曲线,曲线的函数表示式：,势垒电容,C,T,可等效为,并联在,PN,结两端。,变容特性曲线,2.,扩散电容,C,D,PN,结,正偏电压,的变化引起结区边界载流子浓度的增、减的效应等效为,扩散电容,，用,C,D,表示。,C,D,表征了电荷的变化量与外加电压变化量之比,1),在中性区内由于电中和的要求，,P,区向,N,区注入的每一个非平衡少子，均有一个多子在它附近，于是便构成了一个点电容。扩散电容,C,D,就是无数个,点电容,构成的。,2,）,扩散电容其本质是点电容，因而它是分布电容，与势垒电容本质不同，,但可等效并联在,PN,结上,。,C,D,可转换为电流的关系。,即：,由于,C,T,和,C,D,是并联,的，所以,PN,结总的结电容为两者之和。,当外加,反偏,电压时，,PN,结的电容,C,j,主要由势垒电容,C,T,来决定；,当外加,正向,偏置时，,PN,结的电容,C,j,以扩散电容,C,D,为主。,即,1.,本征半导体本征激发、复合、,共价键、,载流子浓度、,动态平衡时载流子浓度,2.,杂质半导体多子、少子,3.,半导体中的漂移电流和扩散电流迁移率、扩散系数、热电压,4.,空间电荷区（,PN,结）,PN,结的宽度、阻挡层两侧的宽度与掺杂浓度的关系、动态平衡时的,PN,结、内建电位差、,5.PN,结的导电特性、伏安特性、击穿特性、电容特性,基本概念,