電子模擬技術(shù)61課件

第六章半導(dǎo)體二極管和三極管

6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

導(dǎo)體：電阻率小于10-4Ωcm絕緣體：電阻率大于1010Ωcm半導(dǎo)體：電阻率介于10-4~1010Ωcm之間6.1.1本征半導(dǎo)體

二個(gè)電子的共價(jià)鍵二個(gè)電子的共價(jià)鍵+4電子——空穴對(duì)的產(chǎn)生共價(jià)鍵中原來(lái)位置留下一個(gè)空位受熱掙脫共價(jià)鍵束縛形成自由電子形成電子——空穴對(duì)在外電場(chǎng)作用下空穴電流兩部分電流：本征激發(fā)的自由電子形成電子電流；空穴移動(dòng)產(chǎn)生的空穴電流自由電子與空穴都稱(chēng)為載流子，在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴的數(shù)目相同電子運(yùn)動(dòng)空穴運(yùn)動(dòng)束縛電子：x2→x1，x3→x2；相當(dāng)于空穴：x1→x2→x3外電場(chǎng)E6.1.3PN結(jié)

1．PN結(jié)的形成空穴擴(kuò)散電子擴(kuò)散載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度就穩(wěn)定下來(lái)。PN結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)電位壁壘UD的大小，硅材料為0.6~0.8V，鍺材料為0.2~0.3V

多數(shù)載流子的擴(kuò)散→空間電荷區(qū)→內(nèi)電場(chǎng)2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓外加電壓P→N，外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，在外電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)，與一部分負(fù)離子中和，N區(qū)中的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)與一部分正離子中和，于是整個(gè)空間電荷區(qū)變窄，從而使多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流，這個(gè)電流稱(chēng)為正向電流，其方向是從P區(qū)指向N區(qū)。這種外加電壓接法稱(chēng)為正向偏置

(2)外加反向電壓外加電壓N→P，這種情況稱(chēng)為PN結(jié)反向偏置。這時(shí)，外電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)的作用。在外電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的自由電子各自背離空間電荷區(qū)運(yùn)動(dòng)，使空間電荷變寬，從而抑制了多子的擴(kuò)散，加強(qiáng)了少子的漂移，形成反向電流。由于少子的濃度很低，因此這個(gè)反向電流非常小，反向電流又稱(chēng)為反向飽和電流，通常用Is表示。結(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)正向偏置時(shí)，回路中有較大的正向電流，PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中的電流非常小，PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻非常高，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。2.特性二極管的伏安特性曲線二極管方程UT=kT/q為溫度電壓當(dāng)量。在常溫（T=300K）下，UT≈26mV。當(dāng)二極管加正向電壓時(shí)，若U>>UT，則，，電流與電壓基本上為指數(shù)關(guān)系。當(dāng)二極管加反向電壓時(shí)，U<0，若|U|>>UT，則，，I≈Is。Uth稱(chēng)為死區(qū)電壓或門(mén)坎電壓。Uth的大小與材料和溫度有關(guān)，通常硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V；二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管為0.6~0.8V，鍺管為0.2~0.3V。UBR稱(chēng)為反向擊穿電壓6.2.2二極管的主要參數(shù)

1．最大整流電流IF最大整流電流是指二極管長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流，它由PN結(jié)的結(jié)面積和散熱條件決定。2．最大反向工作電壓UR它是二極管加反向電壓時(shí)為防止擊穿所取的安全電壓，一般將反向擊穿電壓UBR的一半定為最大反向工作電壓UR。3．反向電流IRIR是指二極管加上最大反向工作電壓UR時(shí)的反向電流。IR愈小，二極管的單向?qū)щ娦跃陀?。此外，由于反向電流是由少?shù)載流子形成的，所以，溫度對(duì)IR的影響很大4．最高工作頻率fMfM主要由PN結(jié)電容的大小決定，結(jié)電容愈大，則fM就越低。若工作頻率超過(guò)fM，則二極管的單向?qū)щ娦跃妥儾?，甚至無(wú)法使用。二極管主要是利用其單向?qū)щ娦裕ǔＳ糜谡?、檢波、限幅、元件保護(hù)等，在數(shù)字電路中常作為開(kāi)關(guān)元件。例6.2.1在圖示電路中，輸入電壓ui=10sinωtV，試畫(huà)出電路的輸出電壓波形。設(shè)二極管為理想二極管，正向?qū)〞r(shí)壓降為零，反向偏置時(shí)，反向電流為零。解：對(duì)圖a所示電路，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，在ui的正半周，D導(dǎo)通，uo1=ui；在ui的負(fù)半周，D截止，i=0，uo1=0。對(duì)圖b所示電路，當(dāng)ui>5V時(shí)，D導(dǎo)通，uo2=5V；當(dāng)ui<5V時(shí)，D截止，i=0,uR=0，故u