模擬電子技術(shù)基本教程 華成英主編

3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡兩種載流子

外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低(相遇而復(fù)合)，產(chǎn)生內(nèi)電場。PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴(kuò)散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動

由于擴(kuò)散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦员匾獑幔克?、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！清華大學(xué)華成英hchya@問題為什么將自然然界導(dǎo)電性能能中等的半導(dǎo)導(dǎo)體材料制成成本征半導(dǎo)體體，導(dǎo)電性能能極差，又將將其摻雜，改改善導(dǎo)電性能能？為什么半導(dǎo)體體器件的溫度度穩(wěn)定性差？？是多子還是是少子是影響響溫度穩(wěn)定性性的主要因素素？為什么半導(dǎo)體體器件有最高高工作頻率？？3.2半半導(dǎo)體二極管管一、二極管的的組成二、二極管的的伏安特性及及電流方程三、二極管的的等效電路四、二極管的的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極極管一、二極管的的組成將PN結(jié)封裝裝，引出兩個個電極，就構(gòu)構(gòu)成了二極管管。小功率二極管管大功率二極管管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管一、二極管的的組成點接觸型：結(jié)結(jié)面積小，結(jié)結(jié)電容小，故故結(jié)允許的電電流小，最高高工作頻率高高。面接觸型：結(jié)結(jié)面積大，結(jié)結(jié)電容大，故故結(jié)允許的電電流大，最高高工作頻率低低。平面型：結(jié)面面積可小、可可大，小的工工作頻率高，，大的結(jié)允許許的電流大。。二、二極管的的伏安特性及及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量二極管的電流流與其端電壓壓的關(guān)系稱為為伏安特性。。從二極管的伏伏安特性可以以反映出：1.單向向?qū)щ娦?.伏安特性受溫溫度影響T（℃）↑→在在電流不變情情況下管壓降降u↓→反向飽和電電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正正向特性左移移，反向特性下下移正向特性為指指數(shù)曲線反向特性為橫橫軸的平行線線增大1倍/10℃三、二極管的的主要參數(shù)最大整流電流流IF：二極管長期使使用時，允許許流過二極管管的最大正向向平均電流。最大反向工作作電壓UR：允許外加的最最大反向電壓壓，手冊上給出的的最高反向工工作電壓一般般是UBR的一半。反向電流IR：在室溫下，在在二極管兩端端加上規(guī)定的的反向電壓時時，流過管子子的反向電流流。反向電流大，，說明管子的的單向?qū)щ娦孕圆睿虼朔捶聪螂娏髟叫⌒≡胶?。最高工作頻率率fM：二極管工作的的上限頻率。。因PN結(jié)有有電容效應(yīng)四、二極管的的等效電路理想二極管近似分析中最最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情情況選擇不同同的等效電路路！1.將伏安安特性折線化化？100V？5V？1V？？2.微變等等效電路Q越高，rd越小。當(dāng)二極管在靜靜態(tài)基礎(chǔ)上有有一動態(tài)信號號作用時，則則可將二極管管等效為一個個電阻，稱為為動態(tài)電阻，，也就是微變變等效電路。。ui=0時直流電電源作用小信號作用靜態(tài)電流五、基本應(yīng)用用電路1.整流電路路整流電路是利利用二極管的的單向?qū)щ娮髯饔?，將交流流電變成直流流電的電路。。全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uLUdc≈0.9E2限幅電路是限限制輸出信號號幅度的電路路。2.限幅電路路鉗位電路：使使輸出電位鉗鉗制在某一數(shù)數(shù)值上保持不不變。設(shè)二極管為理理想元件，當(dāng)當(dāng)輸入UA＝UB＝3V時，二二極管V1，V2正偏導(dǎo)通，輸輸出被鉗制在在UA和UB上，即UF＝3V；當(dāng)UA＝0V，UB＝3V，則V1導(dǎo)通，輸出被被鉗制在UF＝UA＝0V，V2反偏截止。3.鉗位電路路討論：解決兩個問題題如何判斷二極極管的工作狀狀態(tài)？什么情況下應(yīng)應(yīng)選用二極管管的什么等效效電路？uD=V－iRQIDUDV與uD可比，則需圖圖解：實測特性對V和Ui二極管的模型有什么么不同？3.3穩(wěn)壓壓二極管穩(wěn)壓二極管又又稱齊納二極極管，是一種種用特殊工藝藝制造的面結(jié)結(jié)型硅半導(dǎo)體體二極管。1.伏安安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的的最小電流不至于損壞的的最大電流由一個PN結(jié)結(jié)組成，反向向擊穿后在一一定的電流范范圍內(nèi)端電壓壓基本不變，，為穩(wěn)定電壓壓。限流電阻斜率？2.主要要參數(shù)若穩(wěn)壓管的電電流太小則不不穩(wěn)壓，若穩(wěn)穩(wěn)壓管的電流流太大則會因因功耗過大而而損壞，因而而穩(wěn)壓管電路路中必需有限限制穩(wěn)壓管電電流的限流電阻！（4）穩(wěn)定電流IZ(常記為Izmin)、最大穩(wěn)定電流流Izmax。（5）額定功功耗（1）穩(wěn)定電壓UZ（2））電壓壓溫溫度度系系數(shù)數(shù)U（%/℃℃）（3））動動態(tài)態(tài)電電阻阻3、、穩(wěn)穩(wěn)壓壓二二極極管管的的應(yīng)應(yīng)用用電電路路UoIZDZRIOIRUiRLRLIoIRUoIZIRVo1））穩(wěn)穩(wěn)壓壓電電路路例：：某某穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管要求求：：當(dāng)輸輸入入電電壓壓由由正正常常值值發(fā)發(fā)生生20%波波動動時時，，負(fù)負(fù)載載電電壓壓基基本本不不變變。。求：：限流流電阻阻R和輸輸入入電電壓壓ui的正正常常值值。令輸輸入入電電壓壓降降到到下下限限時時，，流流過過穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管的的電電流流為為Izmin。uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立立方方程程，，可可解解得得：：解：：令令輸輸入入電電壓壓達(dá)達(dá)到到上上限限時時，，流流過過穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管電電流流為為Izmax2））限限幅幅電電路路發(fā)光光二二極極管管也也叫叫LED，，它它是是由由砷砷化化鎵鎵（（GaAs））、、磷磷化化鎵鎵（（GaP））、、磷磷砷砷化化鎵鎵（（GaAsP））等等半半導(dǎo)導(dǎo)體體制制成成的的，，因因此此不不僅僅具具有有一一般般PN結(jié)結(jié)的的單單向向?qū)?dǎo)電電性性，，而而且且在在一一定定條條件件下下，，它它還還具具有有發(fā)發(fā)光光特特性性。。在在正正向向電電壓壓下下，，電電子子由由N區(qū)區(qū)注注入入P區(qū)區(qū)，，空空穴穴由由P區(qū)區(qū)注注入入N區(qū)區(qū)。。進(jìn)進(jìn)入入對對方方區(qū)區(qū)域域的的少少數(shù)數(shù)載載流流子子（（少少子子））一一部部分分與與多多數(shù)數(shù)載載流流子子（（多多子子））復(fù)復(fù)合合而而發(fā)發(fā)光光。。故故發(fā)發(fā)光光二二極極管管工工作作時時要要加加正正向向電電壓壓。。電電路路中中常常用用做做指指示示或或顯顯示示及及光光信信息息傳傳送送。。四、、發(fā)發(fā)光光二二