模擬電子電路基礎11

1、第一章第一章 半導體基本器件及應用電路半導體基本器件及應用電路1.1 半導體材料及導電特性半導體材料及導電特性1.2 1.2 pn結原理結原理1.4 雙極型晶體管雙極型晶體管1.3 1.3 晶體二極管及應用晶體二極管及應用返回1.1半導體材料及導電特性半導體材料及導電特性1.1 .1 本征半導體本征半導體1. 1. 1 . 2 2 雜質半導體雜質半導體1. 1 . 3 漂移電流與擴散電流漂移電流與擴散電流引言引言返回引引言言： 什什么么是是半半導導體體：電電阻阻率率 介介于于導導體體和和絕絕緣緣體體之之間間固固體體按按導導電電性性能能上上可可分分為為三三類類：導導體體： 104.cm 如如：金

2、金、銀銀、銅銅、鋁鋁絕絕緣緣體體： 1012.cm 如如：云云母母、陶陶瓷瓷半半 導導 體體 : =103109。cm如如： 硅硅 si(silicon) =105.cm鍺鍺 ge(germanium) =4.7103.cm砷砷化化鎵鎵 gaas =109.cm2 2 . . 注注 意意 的的 單單 位位 ： 。cm定定義義： cmcmcmlar2 3 . 半半導導體體具具有有其其它它特特性性：對對 影影 響響 較較 大大的的 因因 素素：雜雜質質 ，溫溫度度 ，光光 照照1.1半導體材料及導電特性半導體材料及導電特性返回1.1 .1 本征半導體本征半導體定定義義: :沒沒有有雜雜質質、 純純

3、凈凈的的單單晶晶體體稱稱為為本本征征半半導導體體. .( (一一 ) ) 本本 征征 半半 導導 體體 的的 共共 價價 鍵鍵 結結 構構1 1 s s i i 、gg e e原原子子結結構構模模型型14 32 4 4 慣慣性性核核s i(14)和和 g e(32)因因外外層層都都有有 4 個個價價電電子子，由由于于 外外 層層 價價 電電 子子 受受 原原 子子 核核的的 束束 縛縛 力力 小小 ， 許許 多多 物物 理理現(xiàn)現(xiàn) 象象 是是 由由 外外 層層 價價 電電 子子 數(shù)數(shù)決決 定定 ， 為為 了了 更更 方方 便便 研研 究究價價 電電 子子 的的 作作 用用 常常 把把 原原 子子

4、核核 和和 內內 層層 電電 子子 看看 作作 一一 個個整整體體, ,稱稱為為慣慣性性核核。價價電電子子返回2 2 共共 價價 鍵鍵 結結 構構1.1 .1 本征半導體本征半導體（intrinsic semiconductor）當當 s s i i（或或 gg e e）原原子子組組成成單單晶晶體體后后，各各原原子子之之間間有有序序、整整齊齊的的排排列列在在一一起起，原原子子之之間間靠靠得得很很近近，價價電電子子不不僅僅受受本本原原子子的的作作用用，還還要要受受相相鄰鄰原原子子的的作作用用，量量 子子 力力 學學 證證 明明 ： 原原 子子 中中 電電子子 具具 有有 的的 能能 量量狀狀態(tài)態(tài)

5、 是是離離散散的的，量量子子化化 的的 ，每每一一個個能能量量狀狀態(tài)態(tài)對對應應于于一一個個能能級級，一一系系 列列能能級級形形成成能能帶帶。根根據據原原子子的的理理論論：原原子子外外層層電電子子有有 8 8 個個才才能能處處于于穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài)。因因此此 s s i i（或或 gg e e）單單晶晶體體每每個個原原子子都都從從四四周周相相鄰鄰原原子子得得到到 4 4 個個價價電電子子才才能能組組成成穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài)。即即每每一一個個價價電電子子為為相相鄰鄰原原子子核核所所共共有有，每每相相鄰鄰兩兩個個原原子子都都共共用用一一對對價價電電子子。形形成成共共價價鍵鍵結結構構。4 4 4 4 4 4

6、 4 4 4 在在 s s i i 或或 gg e e 單單晶晶體體中中，價價電電子子處處于于束束縛縛 狀狀 態(tài)態(tài) ， 其其 能能 量量 較較 低低 ， 處處 于于 較較 低低 的的 能能 帶帶 稱稱 為為價價 帶帶 。 而而 自自 由由 電電 子子 處處 較較 高高 的的 能能 帶帶 稱稱 為為 導導 帶帶 。由由于于價價電電子子至至少少要要獲獲得得 e g的的能能量量才才能能掙掙脫脫共共價價 鍵鍵 的的 束束 縛縛 成成 為為 自自 由由 電電 子子 ， 因因 此此 自自 由由 電電 子子 所所占占 有有 的的 最最 低低 能能 級級 要要 比比 價價 電電 子子 可可 能能 占占 有有

7、的的 最最 高高能能級級高高出出 e g。于于是是 s s i i（或或 gg e e）晶晶體體中中的的能能 量量 分分 布布 中中 有有 一一 段段 間間 隙隙 不不 可可 能能 被被 電電 子子 所所 占占有有。其其寬寬度度為為 e g，稱稱為為禁禁帶帶寬寬度度。e g一一般般與與半半導導體體材材料料和和溫溫度度 t t 有有關關：t=0k (-273.160c) 時， t=300k （室溫） eg0 (si)=1.21 ev e g(s i)=1.12eveg0 (ge)=0.785 ev e g(g e)=0.72e電子能量電子能量禁禁帶帶eg導帶導帶價價帶帶返回 t=0k 且且無無外

8、外界界其其它它能能量量激激發(fā)發(fā)時時，eg0較較大大，價價電電子子全全部部束束縛縛在在共共價價鍵鍵中中，導導帶帶中中無無自自由由電電子子。 （此此時時的的本本征征半半導導體體相相當當與與絕絕緣緣體體）2 2 本本 征征 激激 發(fā)發(fā) ：t t（or光照） 價價電電子子獲獲得得能能量量 躍躍遷遷導導帶帶 自自由由電電子子 位位于于導導帶帶 空空穴穴 位位于于價價帶帶e g4 4 4 4 4 4 4 4 4 （二）本征激發(fā)和兩種載流子（二）本征激發(fā)和兩種載流子 電電子子能能量量禁禁帶帶eg導導帶帶價價帶帶 注注意意：在在本本征征激激發(fā)發(fā)（或或熱熱激激發(fā)發(fā)）中中，電電子子、空空穴穴成成對對產產生生a:a

9、:空穴帶正電量空穴帶正電量b b：空穴是半導體中所特有的帶單位：空穴是半導體中所特有的帶單位正電荷的粒子，與電子電量相等，正電荷的粒子，與電子電量相等，符號相反符號相反c：空穴在價帶內運動，也是一種載空穴在價帶內運動，也是一種載流子。在外電場作用下可在晶體內流子。在外電場作用下可在晶體內定向移動定向移動空穴：空穴：載載流流子子：物物體體內內運運載載電電荷荷的的粒粒子子，決決定定于于物物體體的的導導電電能能力力。自由電子載流子：帶單位負電自由電子載流子：帶單位負電空穴載流子空穴載流子 ：帶單位正電：帶單位正電在在外外電電場場作作用用下下電電子子、空空穴穴運運動動方方向向相相反反，對對電電流流的的

10、貢貢獻獻是是迭迭加加的的。在在常常溫溫下下本本征征半半導導體體內內有有兩兩種種載載流流子子：返回（三）本征載流子（本征載流子（intrinsic carrier）濃度濃度 本征激發(fā)本征激發(fā)電子電子空穴空穴e g1電子電子 空穴空穴隨機碰撞隨機碰撞復合復合 （自由電子釋放能量）電子空穴對消失（自由電子釋放能量）電子空穴對消失23本征激發(fā)本征激發(fā)動態(tài)平衡動態(tài)平衡復合復合 是電子空穴對的兩種矛盾運動形式。是電子空穴對的兩種矛盾運動形式。 在在本本征征半半導導體體中中電電子子和和空空穴穴的的濃濃度度總總是是相相等等的的若若設設 ni為為電電子子濃濃度度，pi為為空空穴穴濃濃度度本本征征載載流流子子濃濃

11、度度：ni=pi=aot3/2exp(-eg0/2kt)其其中中：ao為為常常數(shù)數(shù)，與與半半導導體體材材料料有有關關：si: ao=3.881016(cm-3.k-2/3) ge: ao=1.761016(cm-3.k-2/3) k 為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù) k=1.3810-23(j.k-1)當 t=300k（室溫） si: ni=pi1.51010/cm3 ge: ni=pi2.41013/cm由由上上式式： tni(or pi)導導電電能能力力 可可制制作作熱熱敏敏元元件件 影影響響半半導導體體器器件件的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性 另另外外 光光照照ni(orpi) 導導電電能能力力 可可制制作

12、作光光電電器器件件返回1. 1. 1 . 2 2 雜質半導體雜質半導體（donor and acceptor impurities） 實實際際上上，制制造造半半導導體體器器件件的的材材料料并并不不是是本本征征半半導導體體，而而是是人人為為地地摻摻入入一一定定雜雜質質成成份份的的半半導導體體1 1 什什 么么 是是 雜雜 質質 半半 導導 體體 ： 人人 為為 地地 摻摻 入入 一一 定定 雜雜 質質 成成 份份 的的 半半 導導 體體2 2 為為 什什 么么 要要 摻摻 雜雜 ： 提提 高高 半半 導導 體體 的的 導導 電電 能能 力力例例如如：si 本本征征半半導導體體（t300k） ：

13、ni=pi=1.5x1010cm3 原原子子密密度度 4.96x1022/cm33.3x1012分之一故故：本本征征半半導導體體的的導導電電能能力力很很弱弱。3 3 在在本本征征半半導導體體中中摻摻入入不不同同種種類類的的雜雜質質可可以以改改變變半半導導體體中中兩兩種種載載流流子子的的濃濃度度。根根 據據 摻摻 入入 雜雜 質質 的的 種種 類類 可可 分分 為為 ： nn 型型半半導導體體 （摻摻入入 5 5 價價元元素素雜雜質質） p p 型型半半導導體體 （摻摻入入 3 3 價價元元素素雜雜質質）返回（一）（一）nn型半導體型半導體（n type semiconductor） 4 4 4

14、 5 4 4 4 4 4 在在本本征征半半導導體體中中摻摻入入 5 5 價價元元素素的的雜雜質質（砷砷、磷磷、銻銻）就就成成為為 nn 型型雜雜質質半半導導體體。雜雜質質原原子子能能提提供供多多余余電電子子稱稱為為施施主主雜雜質質 多多余余電電子子位位于于施施主主能能級級 （進進入入導導帶帶）成成 為為自自由由電電子子室溫t=300k電電子子能能量量禁禁帶帶eg導導帶帶價價帶帶施施主主能能級級+n型型雜雜質質半半導導體體的的特特點點：1 1、 與與本本征征激激發(fā)發(fā)不不同同，施施主主原原子子在在提提供供多多余余電電子子的的同同時時并并不不產產生生空空穴穴，而而成成為為正正離離子子被被束束縛縛在在

15、晶晶格格結結構構中中，不不能能自自由由移移動動，不不起起導導電電作作用用。2 2、在在室室溫溫下下，多多余余電電子子全全部部被被激激發(fā)發(fā)為為自自由由電電子子，故故nn型型半半導導體體中中自自由由電電子子數(shù)數(shù)目目很很高高（濃濃度度大大）, ,主主要要靠靠電電子子導導電電。稱稱為為電電子子半半導導體體。3 3、在在 nn 型型半半導導體體中中同同樣樣也也有有本本征征激激發(fā)發(fā)產產生生的的電電子子空空穴穴對對，但但數(shù)數(shù)量量很很小小，自自由由電電子子濃濃度度遠遠大大于于空空穴穴濃濃度度。+在在nn型型半半導導體體中中：自自由由電電子子多多數(shù)數(shù)載載流流子子（多多子子） 。且且多多數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度n

16、i空空穴穴少少數(shù)數(shù)載載流流子子（少少子子） 。 少少數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度pi+5返回（二）（二）p型半導體型半導體（p type semiconductor）電電子子能能量量禁禁帶帶eg導導帶帶價價帶帶受受主主能能級級- 在在本本征征半半導導體體中中摻摻入入 3 3 價價元元素素 （如如 b 硼硼） ，就就成成為為 p p 型型半半導導體體。3 價價 雜雜 質質 原原 子子 接接 受受 電電 子子 負負 離離 子子 受受 主主 雜雜 質質 （ acceptor impurity） （ 受受 主主 原原 子子 ） 位位 于于 受受 主主 能能 級級 產產 生生 空空 位位 （ 位位 于于 價

17、價 帶帶 ）室 溫t=300k帶帶負負電電離離子子與與帶帶正正電電空空穴穴間間有有吸吸引引力力，即即空空穴穴是是受受束束縛縛的的，只只能能在在負負離離子子附附近近活活動動。但但只只要要賦賦予予它它一一定定的的能能量量，它它掙掙脫脫束束縛縛運運動動到到遠遠離離負負離離子子的的地地方方，該該空空穴穴就就和和本本征征激激發(fā)發(fā)產產生生的的空空穴穴一一樣樣可可以以自自由由運運動動。對對半半導導體體的的導導電電有有貢貢獻獻。雜雜 質質 產產 生生（ 空 位 ） 受受 主主 能能 級級 在在 價價 帶帶 中中 形形 成成 空空 穴穴 晶晶 格格 中中 留留 下下 負負 離離 子子接 受電 子p型型半半導導體

18、體的的特特點點：1 1、 與與本本征征激激發(fā)發(fā)不不同同。受受主主原原子子接接受受電電子子在在價價帶帶中中產產生生一一個個空空穴穴，但但并并不不在在導導帶帶中中產產生生電電子子，而而在在晶晶格格中中留留下下一一個個負負離離子子。負負離離子子不不能能自自由由移移動動，不不起起導導電電作作用用。2 2 在在室室溫溫下下3 3價價受受主主原原子子產產生生的的空空位位全全部部可可被被激激發(fā)發(fā)為為價價帶帶中中的的空空穴穴，故故p p型型半半導導體體中中空空穴穴數(shù)數(shù)很很高高，主主要要靠靠空空穴穴導導電電。稱稱為為空空穴穴半半導導體體。4 4 4 3 4 4 4 4 4 -3 3 p p型型半半導導體體中中也

19、也有有本本征征激激發(fā)發(fā)而而產產生生電電子子空空穴穴對對，但但由由于于復復合合作作用用，電電子子數(shù)數(shù)目目很很小小，空空穴穴的的濃濃度度遠遠大大于于電電子子濃濃度度。p p型型半半導導體體： 多多子子 空空穴穴 且且：多多子子濃濃度度pi 少少子子 電電子子 少少子子濃濃度度ni返回（三）（三）雜質半導體中的載流子濃度雜質半導體中的載流子濃度 本征半導體中載流子由本征激發(fā)產生：本征半導體中載流子由本征激發(fā)產生：ni=pi摻雜半導體中（摻雜半導體中（n or p）摻雜越多摻雜越多多子濃度多子濃度少子濃度少子濃度雜質半導體載流子由兩個過程產生雜質半導體載流子由兩個過程產生： 雜質電離雜質電離多子多子

20、本征激發(fā)本征激發(fā)少子少子由半導體理論可以證明，兩種載流子的濃度滿足以下關系：由半導體理論可以證明，兩種載流子的濃度滿足以下關系：1 熱平衡條件：熱平衡條件：溫度一定時，兩種載流子濃度積之，等于本征濃度的平方。溫度一定時，兩種載流子濃度積之，等于本征濃度的平方。nn型半導體：若以型半導體：若以nn表示電子（多子），表示電子（多子），pn表示空穴（少子）表示空穴（少子） 則有則有 nn.pn=ni2p p型半導體：型半導體：pp表示空穴（多子）表示空穴（多子），np表示電子濃度（少子）表示電子濃度（少子） pp.np=ni22 電中性條件：電中性條件：整塊半導體的正電荷量與負電荷量恒等。整塊半導體

21、的正電荷量與負電荷量恒等。 n n型：型： no表示施主雜質濃度表示施主雜質濃度，則：則：nn=no+pn p p型：型： na表示受主雜質濃度表示受主雜質濃度， pp=na+np由于一般總有由于一般總有nopn nanp 所以有所以有 nn型：型：nnno 且：且： pn ni2/nd p p型：型：ppna npni2/na 多子濃度等于摻雜濃度多子濃度等于摻雜濃度 少子濃度與本征濃度少子濃度與本征濃度n ni i2 2有關，有關， 與溫度無關與溫度無關 隨溫度升高而增加，是半導體隨溫度升高而增加，是半導體 元件溫度漂移的主要原因元件溫度漂移的主要原因多子濃度少子濃度返回1. 1 . 3

22、漂移電流與擴散電流漂移電流與擴散電流半導體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運動會引起導半導體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運動會引起導 電電流。電電流。引起載流子定向運動的原因有兩種：引起載流子定向運動的原因有兩種：由于電場而引起的定向運動由于電場而引起的定向運動漂移運動。（漂移電流）漂移運動。（漂移電流）由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動擴散運動（擴散電流）擴散運動（擴散電流）（一）漂移電流（一）漂移電流（drift current） 在電子濃度為在電子濃度為n,空穴濃度為空穴濃度為p的半導體兩端外加電壓的半導體兩端外加電壓

23、v，在電場，在電場e的作用的作用下，下，空穴將沿電場方向運動空穴將沿電場方向運動，電子將沿與電場相反方向運動電子將沿與電場相反方向運動：ev空空穴穴的的平平均均漂漂移移速速度度：vp=up.e電電子子的的平平均均漂漂移移速速度度：vn=-un.e其其中中 up和 un為為空空穴穴和和電電子子的的遷遷移移率率（單單位位電電場場強強度度下下載載流流子子的的平平均均漂漂移移速速度度）所所以以 空空穴穴的的電電流流密密度度：jpt=q.p.vp=up.q.p.e 電電子子的的電電流流密密度度：jnt=-q.n.vn=un.q.n.e 其其中中q為為電電子子電電荷荷量量總總的的漂漂移移電電流流密密度度：

24、jt=jpt+jnt=(up.p+un.n)qe返回(二）擴散二）擴散 電電 流流（diffusion current）載流子注入載流子注入光照的作用光照的作用非平衡載流子非平衡載流子 載流子濃度梯度載流子濃度梯度擴散運動擴散運動擴散電流擴散電流擴擴散散電電流流是是半半導導體體中中載載流流子子的的一一種種特特殊殊運運動動形形式式，是是由由于于載載流流子子的的濃濃度度差差而而引引起起的的，擴擴散散運運動動總總是是從從濃濃度度高高的的區(qū)區(qū)域域向向濃濃度度小小的的區(qū)區(qū)域域進進行行，光光照照 n型半導體xn (x)p (x)載流子濃度載流子濃度熱平衡值熱平衡值熱平衡值熱平衡值x若若用用dx)x(dp,

25、dx)x(dn表表示示非非平平衡衡空空穴穴和和電電子子的的濃濃度度梯梯度度，則則沿沿x方方向向的的擴擴散散電電流流密密度度分分別別為為： jpo=-qdpdx)x(dpjno=-(-q) dndx)x(dn=qdndx)x(dn式式中中 dp和和 dn為為空空穴穴和和電電子子擴擴散散系系數(shù)數(shù)（單單位位 cm2/s）上上式式表表示示：空空穴穴擴擴散散中中電電流流與與x方方向向相相同同 電電子子擴擴散散電電流流與與x方方向向相相反反 （因為dx)x(dp0，dx)x(dn0）返回1.2 1.2 pn結原理結原理1.2 .2 空間電荷區(qū)特點：空間電荷區(qū)特點：1.2.1 pn結的形成及特點結的形成及特

26、點返回np+-1.2 1.2 pn結原理結原理 在在一一塊塊 n 型型半半導導體體（or p type） ，用用雜雜質質補補償償?shù)牡姆椒椒ǚ〒綋饺肴胍灰欢ǘ〝?shù)數(shù)量量的的 3 3 價價元元素素（o or r 5 5 價價元元素素）將將這這一一部部分分區(qū)區(qū)域域轉轉換換成成 p p 型型（或或 nn 型型） ，則則在在它它們們的的界界面面處處便便生生成成 pn 結結。pn 結結是是晶晶體體二二極極管管及及其其它它半半導導體體的的基基本本結結構構，在在集集成成電電路路中中極極其其重重要要。enp+-返回1.2.1 pn結的形成及特點結的形成及特點一一pn結的動態(tài)平衡過程和接觸電位結的動態(tài)平衡過程和接觸

27、電位（一） 空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)(space charge region) 在在nn型型和和p p型型半半導導體體的的界界面面兩兩側側，明明顯顯地地存存在在著著電電子子和和空空穴穴的的濃濃度度差差，導導致致載載流流子子的的擴擴散散運運動動：p p型型半半導導體體中中空空穴穴nn 區(qū)區(qū)擴擴散散與與nn 區(qū)區(qū)中中電電子子復復合合 p p區(qū)區(qū)留留下下負負離離子子nn區(qū)區(qū)生生成成正正離離子子 nn 型型半半導導體體中中電電子子（多多子子）p p 區(qū)區(qū)擴擴散散與與 p p 區(qū)區(qū)空空穴穴復復合合 nn 區(qū)區(qū)留留下下正正離離子子p p 區(qū)區(qū)生生成成負負離離子子。 nn 區(qū)區(qū)則則為為正正 p p 區(qū)區(qū)則則為為

28、負負形形成成內內建建電電場場 e伴伴隨隨著著擴擴散散和和復復合合運運動動在在pn結結界界面面附附近近形形成成一一個個空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)： 內內建建電電場場 形形成成少少子子的的漂漂移移運運動動 nn區(qū)區(qū)中中空空穴穴p p區(qū)區(qū) p p區(qū)區(qū)中中電電子子nn區(qū)區(qū)消弱消弱內建電場內建電場enp+-enp+- 顯顯然然半半導導體體中中多多子子的的擴擴散散運運動動和和少少子子的的漂漂移移運運動動是是一一對對矛矛盾盾運運動動的的兩兩個個方方面面：多多 子子 擴擴 散散 運運 動動空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)內內建建電電場場e e少少子子漂漂移移結結果果：多多子子擴擴散散運運動動 少少子子的的漂漂移移 擴擴散散電電

29、流流 漂漂移移電電流流熱平衡（動態(tài)平衡）熱平衡（動態(tài)平衡） pn 結結中中總總電電流流為為零零?？湛臻g間電電荷荷區(qū)區(qū)寬寬度度穩(wěn)穩(wěn)定定形形成成 pn 結結。返回1.2 .2 空間電荷區(qū)特點：空間電荷區(qū)特點：1 1. .空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)寬寬度度決決定定于于雜雜質質濃濃度度 一一般般雜雜質質濃濃度度越越高高空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)越越薄薄，空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)伸伸向向雜雜質質濃濃度度低低的的一一側側。2 2. .擴擴散散在在空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)內內形形成成一一定定的的空空間間電電荷荷分分布布( (x x) )，p p 區(qū)區(qū)為為負負，nn 區(qū)區(qū)為為正正，界界面面處處為為零零。故故 在在 電電 荷荷 區(qū)

30、區(qū) 內內 形形 成成 一一 定定 的的 電電 場場 分分 布布 ：e e = = )x(d dx x ( (為為 介介 質質 常常 數(shù)數(shù) ) )。從從而而在在空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)內內造造成成一一定定的的電電位位差差（接接觸觸電電位位差差） edx 其其 中中 內內 建建 電電 位位 差差 ： u= utln pp/pn= utln nn/np = utln ppnn/ni2utln ndna/ni2 其其中中 ut=kt/q （熱熱力力學學電電壓壓） np+-e電荷密度電荷密度e電場強度電場強度電位電位qu內建電位內建電位勢壘（電子勢能）勢壘（電子勢能）qupn常常溫溫下下（t300k） ut

31、=26mv si: u=0.60.8v ge: u=0.20.3v 3 3由由于于電電子子是是帶帶負負電電荷荷的的，處處于于高高電電勢勢處處的的電電子子具具有有較較低低位位能能，而而處處于于低低電電勢勢處處電電子子具具有有較較高高位位能能所以所以 nn 區(qū)電子比區(qū)電子比 p p 區(qū)能量低區(qū)能量低 qu , n, n 區(qū)電子區(qū)電子 要到達要到達 p p 區(qū)區(qū) , ,或或 p p 區(qū)空穴要到達區(qū)空穴要到達 nn 區(qū)必須克區(qū)必須克 服勢壘服勢壘 qu ，故勢壘阻礙了擴散運動。故勢壘阻礙了擴散運動。故空故空 間電荷區(qū)也稱為間電荷區(qū)也稱為勢壘區(qū)勢壘區(qū)或或阻擋層阻擋層。 4 4. .空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)內

32、內只只有有不不能能移移動動的的離離子子，是是載載流流子子不不能能停停留留的的區(qū)區(qū)域域或或載載流流子子耗耗盡盡的的區(qū)區(qū)域域，故故又又稱稱耗耗盡盡層層（depletion layer）返回1.31.3晶體二極管及應用晶體二極管及應用132 二極管的電阻二極管的電阻133 二極管的交流小信號等效模型二極管的交流小信號等效模型1. 3. 4 二極管應用電路二極管應用電路131晶體二極管的伏安特性晶體二極管的伏安特性引言引言返回135 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管136 pn結電容結電容137 pn結的溫度特性結的溫度特性138 二極管主要參數(shù)二極管主要參數(shù)1.3 1.3 晶體二極管及應用晶體二極管及應用晶晶體體二二極

33、極管管 p pnn 結結 歐歐姆姆接接觸觸電電極極，引引出出線線 管管殼殼np+-e（一一） 單單向向導導電電偏偏置置：在在p pnn結結兩兩端端外外接接電電源源電電壓壓 正正向向偏偏置置：p p 區(qū)區(qū)接接正正電電源源，nn 區(qū)區(qū)接接負負 反反向向偏偏置置：nn 區(qū)區(qū)接接正正，p p 區(qū)區(qū)接接負負1.3.1 晶體二極管的伏安特性晶體二極管的伏安特性返回1. 1. 正向偏置，正向電流正向偏置，正向電流runp+-u uiduu-u-u正正向向偏偏置置外外電電場場削削弱弱內內電電場場 勢勢壘壘降降低低阻阻擋擋層層變變窄窄破破壞壞p pnn結結動動態(tài)態(tài)平平衡衡擴擴散散運運動動占占優(yōu)優(yōu)勢勢漂漂移移減減

34、弱弱擴擴散散電電流流di較較大大。擴散電流的全過程：擴散電流的全過程：電電子子由由電電源源負負極極nn 區(qū)區(qū) p pnn 結結p p 區(qū)區(qū)p p 區(qū)區(qū)空空穴穴復復合合電電源源正正極極向向 p p 區(qū)區(qū)提提供供空空穴穴擴散擴散idididid+_返回np+-2. 2. 反向偏置，反向電流反向偏置，反向電流ruuiru np+-uu+u+uiriririr反反向向偏偏置置：外外電電場場與與內內建建電電場場方方向向一一致致p pnn 結結勢勢壘壘提提高高 （阻阻擋擋層層變變寬寬）漂漂移移占占優(yōu)優(yōu)勢勢擴擴散散減減弱弱漂漂移移電電流流 ir很很小小。 由于由于反向漂移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流反向漂

35、移電流是少數(shù)載流子漂移形成的電流，而少數(shù)載流，而少數(shù)載流 子濃度很低，故子濃度很低，故反向電流遠小于正向電流反向電流遠小于正向電流，即，即 id|ir| +_返回si（二）伏安特性（二）伏安特性二二極極管管的的電電流流與與端端電電壓壓之之間間的的關關系系或或曲曲線線1. 二二極極管管的的理理想想伏伏安安特特性性方方程程： id= isex p（ ud/ut ） 1 式式中中：ud二二極極管管端端電電壓壓，utkt/q,（當當 t300k 時時 ut26mv） ，is為為飽飽和和電電流流，與與少少數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度有有關關。 ge 1.0iduda: 正正偏偏(ud0的的區(qū)區(qū)域域是是正正向

36、向工工作作區(qū)區(qū))： 當當 ud4ut時時，exp（ud/ut）1, idis exp（ud / ut） 正正偏偏伏伏安安特特性性方方程程 正正向向電電流流與與正正向向偏偏壓壓按按指指數(shù)數(shù)規(guī)規(guī)律律增增大大。二二極極管管正正向向開開啟啟（或或門門 限限）電電壓壓： si: uon=0.50.6v ge: uon=0.10.2v uonuon返回一一般般：si: is在在1091015a量量級級 ge: is在在ua量量級級si（二）伏安特性（二）伏安特性1. 二二極極管管的的理理想想伏伏安安特特性性方方程程： id=isexp（ ud/ut ）1 式式中中：ud二二極極管管端端電電壓壓，utkt/

37、q,（當當 t300k 時時 ut26mv） ，is為為飽飽和和電電流流，與與少少數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度有有關關。 ir=-isgesigeu(br)u(br) 1.0idudb: 反反偏偏(u(br)ud|u(br)|擊擊穿穿區(qū)區(qū)， si 管反向擊穿電壓比管反向擊穿電壓比 ge 管高管高 二極管擊穿后端電壓幾乎二極管擊穿后端電壓幾乎不變，具有穩(wěn)壓特性。不變，具有穩(wěn)壓特性。 id=isexp（ ud/ut ）1 式式中中：ud二二極極管管端端電電壓壓，utkt/q,（當當 t300k 時時 ut26mv） ，is為為飽飽和和電電流流，與與少少數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度有有關關。 返回id 直直

38、流流電電阻阻qudidud定定義義：rd直直流流偏偏壓壓直直流流電電流流udid 靜靜態(tài)態(tài)工工作作點點（直直流流工工作作點點）q： （ud，id） 交交流流電電阻阻（動動態(tài)態(tài)電電阻阻）定義：定義： rd=(did /dud )q-1=2ud /2id dttdsdiuuuidud 1)exp( (因因為為 idis exp ud /ut) 可可見見二二極極管管的的動動態(tài)態(tài)電電阻阻可可以以用用靜靜態(tài)態(tài)電電流流來來計計算算。且且有有 idrd 一一般般：正正偏偏時時：幾幾幾幾十十反反偏偏時時：幾幾百百 k幾幾兆兆ud（忽略（忽略r上的電壓）上的電壓）132 二極管的電阻二極管的電阻返回rdcj 實

39、實際際電電路路：ud: :信號源電壓信號源電壓 ud：直直流流偏偏置置電電源源 r：限限流流電電阻阻（偏偏置置電電阻阻）d：二二極極管管交交流流小小信信號號電電路路模模型型 在在直直流流工工作作點點確確定定后后，小小信信號號作作用用下下，二二極極管管的的交交流流小小信信號號模模型型可可以以等等效效為為： 交交流流電電阻阻rd 結結電電容容cjct+cd （具具有有高高頻頻旁旁路路作作用用） si 1.0idud在低頻工作時，在低頻工作時，cj可忽略?？珊雎?。電路仿真133 二極管的交流小信號等效模型二極管的交流小信號等效模型 返回uiui1.3.4 二極管應用電路二極管應用電路1 整流電路整流

40、電路ui0，二級管導通，二級管導通， ，uo=ui0id 電路仿真2二極管限幅電路二極管限幅電路右圖為雙向的限幅電路右圖為雙向的限幅電路如果設：二極管的開啟電壓如果設：二極管的開啟電壓uon = 0.7v則有：則有：|ui| uon ， d1導通導通d2截止，截止，回路中的電流，回路中的電流， 利用二極管正向穩(wěn)利用二極管正向穩(wěn)壓特性，壓特性，uo= uon 。如果，如果， ui- uon ， d1截止截止d2導通，導通，回路中的電流，回路中的電流， uo= -uon 。udiduon電路仿真+uo-返回ui1.3.4二極管應用電路二極管應用電路3 二極管鉗位電路二極管鉗位電路 鉗位電路是一種能

41、改變信號的直流電壓成分的電路，鉗位電路是一種能改變信號的直流電壓成分的電路，下圖是一個簡單的二級管鉗位電路的例子。下圖是一個簡單的二級管鉗位電路的例子。uc=2.5vuo設輸入信號設輸入信號ui為幅度為幅度+2.5v的方波信號，的方波信號，ui2.5v-2.5v當當ui0時，時，d截止，截止， id=0，回路無回路無法放電，使電容法放電，使電容c的電壓保持的電壓保持uc=ui=2.5v，而輸出電壓：，而輸出電壓：uo=ui+uc= ui+ 2.5v=5vvo5v電路仿真返回pn 結結擊擊穿穿后后，反反向向電電流流急急劇劇增增加加，但但端端電電壓壓幾幾乎乎不不變變，表表明明擊擊穿穿后后的的 pn

42、 結結具具有有穩(wěn)穩(wěn)壓壓功功能能，在在安安全全限限流流條條件件下下，利利用用二二極極管管的的擊擊穿穿特特性性制制作作穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管。iz mi niz m a xuzizuz 穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管的的伏伏安安特特性性正正向向區(qū)區(qū)：相相當當普普通通二二極極管管 反反向向區(qū)區(qū)：高高阻阻抗抗器器件件 反反向向擊擊穿穿區(qū)區(qū)：穩(wěn)穩(wěn)壓壓元元件件 穩(wěn)穩(wěn)定定電電壓壓 uz izmin最最小小允允許許電電流流 izmax最最大大允允許許電電流流 135 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管返回uiuzudiz mi niz m a xuzizuz2 應應用用電電路路ui：輸輸入入電電壓壓， ud：穩(wěn)穩(wěn)定定輸輸出出電電壓壓 r：限限流流保保護護電電

43、阻阻， rl：等等效效負負載載 3 限限 流流 電電 阻阻 值值 r 的的 確確 定定 r 必必須須滿滿足足下下列列關關系系：（1） 當當 ui max , izmax（即即 rlmax）時時， 要要 求求iz iz m a x ,即即 （uimax-uz）r uz /rlmax zzlziuiruu maxmaxmaxrlmax 2) 當當 uimin和和 izmin ( 即即 rlmi n)時時, 要要 求求iz iz m in 即即: ruuzi min- - minlzru izmin 得得： r5v雪雪崩崩擊擊穿穿：摻摻雜雜濃濃度度小小勢勢壘壘區(qū)區(qū)厚厚 小小數(shù)數(shù)載載流流子子動動能能撞

44、撞擊擊價價電電子子產產生生大大量量電電子子空空穴穴對對雪雪崩崩反反映映反反向向電電流流擊擊穿穿（碰碰撞撞電電離離而而產產生生的的擊擊穿穿現(xiàn)現(xiàn)象象）反反偏偏電電壓壓6v返回136 pn結電容結電容+-ruu+_irpn 結結具具有有電電容容效效應應一一般般 點點接接 觸觸 型型 pn 結結，結結電電容容小小，使使用用于于高高頻頻 面面接接觸觸型型，結結電電容容大大，用用于于低低頻頻cjctcd 即即：結結電電容容勢勢壘壘電電容容擴擴散散電電容容 勢勢壘壘電電容容 (barrier capacitance)pn 結結空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)隨隨反反向向電電壓壓的的變變化化而而產產生生的的電電容容效效應應。