第二章晶體二極管

第二章晶體二極管第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)硅（Si）鍺（Ge）砷化鎵（GaAs）簡(jiǎn)化模型硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)模型第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月價(jià)電子硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)原子晶陣四面體結(jié)構(gòu)一本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemiconductors)完全純凈,結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。T=0K（–273℃），本征半導(dǎo)體中沒有可移動(dòng)的帶電粒子（載流子），不能導(dǎo)電，相當(dāng)于絕緣體。第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、本征激發(fā)T↑（或光照）→價(jià)電子獲得能量→掙脫共價(jià)鍵束縛→自由電子→共價(jià)鍵中留下空位（空穴）空穴帶正電能移動(dòng)（價(jià)電子填補(bǔ)空位的運(yùn)動(dòng)）載流子本征激發(fā)→產(chǎn)生兩種載流子（自由）電子空穴特征：成對(duì)出現(xiàn)，數(shù)目相等。復(fù)合：本征激發(fā)逆過程（電子空穴相遇→釋放能量→成對(duì)消失）第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熱平衡載流子濃度niT一定時(shí)，本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)載流子濃度ni是一定的。ni=p0=n0

p0熱平衡空穴濃度n0熱平衡電子濃度ni是溫度的函數(shù)。T↑→ni↑↑在室溫（T=300K）時(shí)，硅的ni≈1.5×1010cm-3，鍺的ni≈2.4×1013cm-3硅的原子密度為4.96×1022cm-3，ni僅為三萬億分之一。問題：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很低。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雜質(zhì)半導(dǎo)體（DopedSemiconductor）摻入一定量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電能力顯著增加。1、N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素（磷），形成多電子、少空穴的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：電子少數(shù)載流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0≈Nd（Nd＞＞ni）

施主雜質(zhì)（Donor）第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雜質(zhì)半導(dǎo)體（DopedSemiconductor）摻入一定量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電能力顯著增加。1、N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素（磷），形成多電子、少空穴的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：電子少數(shù)載流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0≈Nd（Nd＞＞ni）

施主雜質(zhì)（Donor）第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素（硼），形成多空穴、少電子的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：空穴少數(shù)載流子（少子）：電子受主雜質(zhì)（Acceptor）p0=Na+n0≈Na（Na＞＞ni）結(jié)論：①多子的濃度由雜質(zhì)濃度決定；②少子的濃度與溫度有關(guān)；③半導(dǎo)體器件溫度特性差的根源第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素（硼），形成多空穴、少電子的雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：空穴少數(shù)載流子（少子）：電子受主雜質(zhì)（Acceptor）p0=Na+n0≈Na（Na＞＞ni）結(jié)論：①多子的濃度由雜質(zhì)濃度決定；②少子的濃度與溫度有關(guān)；③半導(dǎo)體器件溫度特性差的根源第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、漂移和擴(kuò)散（兩種導(dǎo)電機(jī)理）1、漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)的作用下的定向運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流——漂移電流（DriftCurrent）2、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于載流子濃度分布不均勻而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流——擴(kuò)散電流（DiffusionCurrent）第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)關(guān)鍵詞：載流子目標(biāo)：增加載流子（增加導(dǎo)電能力）主線：本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體P型：多空穴p0≈NaN型：多電子n0≈Ndni=p0=n0擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電漂移運(yùn)動(dòng)第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2PN結(jié)（半導(dǎo)體器件最基本單元）一、PN結(jié)形成

PN結(jié)的形成(a)初始狀態(tài);(b)平衡狀態(tài);(c)電位分布

一邊是P型半導(dǎo)體，一邊是N型半導(dǎo)體，交界面處形成的特殊結(jié)構(gòu)——PN結(jié)載流子濃度差很大→多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（ID）→交界面處形成空間電荷區(qū)（PN結(jié)）→內(nèi)電場(chǎng)→阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)（IT方向與ID相反）→達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（ID=IT）總電流為零→PN結(jié)寬度一定

第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)建電位差VB熱電壓室溫硅VB=0.5~0.7V鍺VB≈0.2~0.3VT↑→VB↓(負(fù)溫度系數(shù))-2.5mV/℃第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)在不同的運(yùn)用狀態(tài)下表現(xiàn)的特性不同，掌握這些特性是理解和使用晶體二極管、三極管的重要依據(jù)。1、正向特性（正向偏置）外電壓與內(nèi)電場(chǎng)方向相反→PN結(jié)電位差↓→PN結(jié)寬度↓→總電場(chǎng)↓→破壞原來的平衡→擴(kuò)散加劇，漂移減弱→形成較大的正向電流第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、反向特性（反向偏置）外電壓與內(nèi)電場(chǎng)方向相同→PN結(jié)電位差↑→PN結(jié)寬度↑→總電場(chǎng)↑→破壞原來的平衡→阻止擴(kuò)散，加劇漂移→形成非常小的反向電流（不計(jì)）IS：反向飽和電流，幾乎與外加電壓大小無關(guān)硅IS≈（10-9~10-16）A鍺IS≈（10-6~10-8）A

IS是溫度敏感的參數(shù)T↑→IS↑PN反向運(yùn)用第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、伏安特性根據(jù)理論分析,二極管的電流與端電壓存在如下關(guān)系:①正偏且（或V＞100mV）上式簡(jiǎn)化為：②反偏且時(shí)，第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的伏安特性工程上定義：導(dǎo)通電壓，用VD(on)表示，認(rèn)為V>VD(on)時(shí)，PN結(jié)正向?qū)ǎ琁有明顯數(shù)值，而V<VD(on)時(shí)，I很小，PN結(jié)截止。硅PN結(jié)：VD(on)=0.7V鍺PN結(jié)：VD(on)=0.25V第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、溫度特性T↑→少子↑→IS↑→正向電流↑等價(jià)為：T↑→VD(on）↓(－2.5mV/℃)最高工作溫度：硅為（150~200）℃鍺為（75~100）℃第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)反向電壓超過V（BR）后稍有增加時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義V（BR）為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。1、雪崩擊穿

輕摻雜的PN結(jié)，加反向電壓→耗盡區(qū)較寬→少子漂移通過耗盡區(qū)時(shí)被加速→動(dòng)能增大→當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高動(dòng)能的少子，會(huì)與中性原子的價(jià)電子相碰撞→將其撞出共價(jià)鍵→產(chǎn)生新的電子、空穴對(duì)→新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場(chǎng)加速后，又會(huì)撞出新的電子、空穴對(duì)→載流子數(shù)目倍增→反向電流劇增——碰撞電離第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、齊納擊穿

重?fù)诫s的PN結(jié)→耗盡區(qū)很窄→不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)→反向電壓大到一定值→強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵→產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)→使反向電流急劇增大→場(chǎng)致激發(fā)一般來說，對(duì)硅材料的PN結(jié)，V（BR）>6V時(shí)為雪崩擊穿；V（BR）<6V時(shí)為齊納擊穿；V（BR）在6V左右時(shí)，兩種擊穿都有。3、V（BR）的溫度特性雪崩擊穿電壓是正溫度系數(shù)T↑→V(BR)↑齊納擊穿電壓是負(fù)溫度系數(shù)T↑→V(BR)↓擊穿電壓6V左右時(shí)，相應(yīng)溫度系數(shù)趨近零第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）主要參數(shù)如下:(1)穩(wěn)定電壓VZ

(2)穩(wěn)定電流IZ

最小穩(wěn)定電流IZmin最大穩(wěn)定電流IZmax第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月四、PN結(jié)的電容特性電容特性：電荷量隨電壓變化的特性。1、勢(shì)壘電容CTPN結(jié)兩端電壓變化→空間電荷數(shù)變化2、擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散過程中，載流子積累的數(shù)量，隨外加電壓而變化。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月P區(qū)少子濃度分布曲線勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、PN結(jié)電容由于CT和CD均等效地并接在PN結(jié)上，因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=CT+CD正偏時(shí)以CD為主，Cj≈CD，其值通常為幾十至幾千pF；反偏時(shí)以CT為主，Cj≈CT，其值通常為幾至幾十pF。因?yàn)镃T和CD并不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響。變?nèi)荻O管符號(hào)4、變?nèi)荻O管（變?nèi)莨埽㏄N結(jié)反偏時(shí)，呈高阻狀態(tài)，近似開路，PN結(jié)為較理想的電容器第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)關(guān)鍵詞：PN結(jié)主線：PN結(jié)的特性結(jié)論：1、PN結(jié)是非線性電阻器件→單向?qū)щ?、PN結(jié)反向擊穿→穩(wěn)壓管→穩(wěn)壓3、PN結(jié)的結(jié)電容→變?nèi)莨堋蔷€性電容器（高頻電路中應(yīng)用）第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3晶體二極管電路的分析方法晶體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)分別如圖(a),(b)所示。符號(hào)中，接到P型區(qū)的引線稱為正極(或陽極)，接到N型區(qū)的引線稱為負(fù)極(或陰極)。第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體二極管模型1、數(shù)學(xué)模型2、曲線模型第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、簡(jiǎn)化電路模型（1）折線模型(A1BC)（2）恒壓模型（A2BC）（3）理想模型(A3B0C)二極管特性的折線近似及電路模型第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月恒壓模型理想模型第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、小信號(hào)電路模型Q（Quiescentpoint）靜態(tài)工作點(diǎn)二極管電阻的幾何意義(a)直流電阻RD；(b)交流電阻rj第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月交流電阻rj：二極管在工作點(diǎn)附近電壓微變量與電流微變量之比,即Q小信號(hào)電路模型——交流小電阻用來計(jì)算疊加在直流（Q點(diǎn)）上的微小交流電壓或電流的響應(yīng)。二極管的直流電阻與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)交流電阻的求法：（1）圖解法：Q點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)。（2）rj的數(shù)值可以從二極管的伏安特性表達(dá)式中得出第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、二極管主要參數(shù)1、最大整流電流IF

IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，流過二極管的平均電流不能超過此值。2、最大反向工作電壓VRM

VRM指二極管工作時(shí)所允許加的最大反向電壓，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取V(BR)的一半作為VRM。3、反向電流IRIR是二極管未擊穿時(shí)的反向電流，IR愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂?，IR對(duì)溫度非常敏感。第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、二極管電路分析方法KVL:D的伏安特性1、圖解分析法（GraphicalAnalysis）利用二極管曲線模型，特性曲線與管外電路方程（負(fù)載線）的交點(diǎn)Q，即為所求靜態(tài)工作點(diǎn)（IQ，VQ）第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、簡(jiǎn)化分析法利用簡(jiǎn)化電路模型當(dāng)時(shí),D導(dǎo)通,電路模型如右圖通常R＞＞RD，RD可忽略,D為恒壓模型第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、小信號(hào)分析法(小信號(hào)工作狀態(tài))電路如圖(a),小信號(hào)等效電路：只考慮交流信號(hào)作用滿足小信號(hào)模型成立條件。第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)關(guān)鍵詞：二極管模型目標(biāo)：二極管電路分析主線：曲線模型→圖解分析法（在特性曲線上作負(fù)載線）簡(jiǎn)化電路模型→簡(jiǎn)化分析法（估算）工作條件：小信號(hào)工作信號(hào)源信號(hào)（交流信號(hào)）相對(duì)于偏置（直流）是微變量→對(duì)信號(hào)源（交流信號(hào)）的作用二極管用小信號(hào)模型→小信號(hào)分析法第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于