第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)新

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),江澤民 J Tel:68912462 Room:4#247,考核標(biāo)準(zhǔn),平時(shí)成績(jī):30% (作業(yè):15%;考勤:15%) 卷面成績(jī):70%,第0章 導(dǎo)言,模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),信號(hào)提取,信號(hào)預(yù)處理,信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行,AD轉(zhuǎn)換,計(jì)算機(jī),DA轉(zhuǎn)換,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),研究對(duì)象： 模擬信號(hào)（在時(shí)間和幅度上均連續(xù)的信號(hào)） 模擬電路（處理模擬信號(hào)的電路）,學(xué)習(xí)內(nèi)容： 模擬電路的基本概念、基本原理、基本應(yīng)用及基本分析方法,學(xué)習(xí)方法：,工程的觀點(diǎn)，學(xué)會(huì)近似處理 實(shí)踐性強(qiáng)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，注重實(shí)驗(yàn)、習(xí)題,第1章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管(復(fù)習(xí)),1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1.2半導(dǎo)體二極管,難點(diǎn):半導(dǎo)體

2、中載流子的運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體二極管工作原理及應(yīng)用。 （是難點(diǎn)但不是重點(diǎn)。）,本章的難點(diǎn)和重點(diǎn),重點(diǎn)：從使用的角度出發(fā)掌握半導(dǎo)體二極管外部特性和主要參數(shù)。,1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),一、半導(dǎo)體,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 常用的半電體材料為硅（Si）和鍺（Ge），它們均為四價(jià)元素,1.1.1 本征半導(dǎo)體,導(dǎo)體：外層電子受原子核的束縛力很小，有大量電子能掙脫 原子核的束縛力而成為自由電子。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用 下作定向運(yùn)動(dòng)，從而形成電流，導(dǎo)電性很好。,絕緣體：外層電子受原子核的束縛力很大，很不容易掙脫出來(lái)， 因此形成自由電子的機(jī)會(huì)很小。導(dǎo)電力差。,在熱力學(xué)溫度零度 和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí), 本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。,

3、把純凈的沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體,圖1.2 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,二、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由電子,空穴,圖1-3 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,成對(duì)出現(xiàn),成對(duì)消失,三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,電子和空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由電子,空穴,成對(duì)出現(xiàn),成對(duì)消失,本征激發(fā)和復(fù)合,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外電場(chǎng)方向,在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電,價(jià)電子填補(bǔ)空穴,四、本征濃度,在一定溫度條件下，產(chǎn)生與復(fù)合的過(guò)

4、程雖然仍在不斷進(jìn)行， 但電子-空穴對(duì)卻保持一定的數(shù)目,本征半導(dǎo)體載流子的濃度,其中，Eg為半導(dǎo)體的激活能，T為絕對(duì)溫度，k為波耳茲曼 常數(shù)（1.3810-23J/K）， K1為系數(shù)。,常溫下：硅ni(pi)=1.41010/cm3 鍺ni(pi)=2.51013/cm3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,一 . N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體 中 摻入少量的 五價(jià)元 素,如磷, 則形成N型半導(dǎo) 體。,多余價(jià)電子,自由電子,圖1.-4 N型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,在N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子, 空穴是少數(shù)載流子 但仍是電中性,第1章 1.1,+4,

5、+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,二. P型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素,如硼,則形成P 型半導(dǎo)體。,+4,在P型半導(dǎo)中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。,一、PN 結(jié)的形成,用專門(mén)的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)PN 結(jié)。,1.1.3 PN 結(jié),由于載流子的濃度差，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這種由于濃度差引起的運(yùn)動(dòng)稱為 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，這個(gè)不能移動(dòng)的電荷區(qū)叫空間電荷區(qū)。因沒(méi)有載流子，也叫耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、阻擋層。,由空間電荷區(qū)產(chǎn)生的

6、、方向?yàn)镹區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)阻礙了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，即N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移， P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。,當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流等于漂移電流且方向相反，PN結(jié)中電流為零，PN結(jié)寬度及電位差Uho為恒定值。 硅：（0.60.8）V；鍺：（0.1 0.3）V。,在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來(lái)。,P 區(qū),N 區(qū),內(nèi)電場(chǎng)方向,二、 PN 結(jié)的特性,1、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?內(nèi)電場(chǎng)方向,R,P 區(qū),N 區(qū),外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間 電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷,N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū) 抵消一部分正空間電荷,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)

7、，形 成較大的正向電流,（1） 外加正向電壓(正偏),P 區(qū),N 區(qū),內(nèi)電場(chǎng)方向,R,（2） 外加反向電壓(反偏),少數(shù)載流子越過(guò)PN結(jié)形成很小的反向電流,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)正偏時(shí)的正向電流是擴(kuò)散電流，數(shù)值較大,此時(shí)容易導(dǎo)電； PN結(jié)反偏時(shí)的反向電流是漂移電流，數(shù)值很小，幾乎不導(dǎo)電;,2、PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式,Is為反向飽和電流， 常溫時(shí)：UT 26mV,溫度對(duì)反向電流的影響：,T，少子 ，IS ,PN加正向電壓，且UUT時(shí)，,PN加反向電壓，且U UT時(shí)，,3、PN結(jié)的擊穿特性,當(dāng)PN結(jié)反向電壓超過(guò)一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為反向擊穿， UBR稱為反向擊穿電壓

8、,齊納擊穿,雪崩擊穿,雪崩擊穿：參雜濃度低，當(dāng)反向電壓比較大時(shí)，耗盡層中的少子加快漂移速度，撞擊共價(jià)鍵，形成電子-空穴對(duì)，新的電子和空穴在電場(chǎng)的作用下加速運(yùn)動(dòng)，撞出新的價(jià)電子。載流子雪崩式倍增，導(dǎo)致電流急劇增加。一般在7V以上。,齊納擊穿：在參雜濃度高的情況下，不大的反向電壓可以在耗盡層產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，直接破壞共價(jià)鍵，形成電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致電流急劇增加。硅材料一般在4V以下。,在4 7V之間，兩者都有，其溫度特性較好。,（1） 勢(shì)壘電容CB,PN結(jié)中空間電荷的數(shù)量隨外加電壓變化所形 成的電容稱為勢(shì)壘電容,4、 PN結(jié)的電容效應(yīng),S：PN結(jié)面積 d：PN結(jié)寬度 ：半導(dǎo)體介電常數(shù),載流子在擴(kuò)散過(guò)程

9、中積累的電荷量隨外加電壓變化所形成的電容稱為擴(kuò)散電容,（2） 擴(kuò)散電容 CD,I：正向電流 UT：溫度電壓當(dāng)量 ：非平衡少子的壽命,PN結(jié)的結(jié)電容CJ為勢(shì)壘電容CB與擴(kuò)散電容CD之和，即 CJ=CB+CD,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,U / V,1.2.2 二極管的伏安特性,一、正向特性,閾值電壓Uth:使二極管開(kāi)始導(dǎo)通的電壓,硅管Uon=0.5V 鍺管Uon=0.1V,導(dǎo)通電壓： 硅(0.60.8)V (取0.7V） 鍺(0.1 0.3)V (取0.2V）,二、反向特性,加反向電壓時(shí)，反向電流很小。,U / V,二、反向特性,加反向電壓時(shí)，反向電流很小。,三、

10、擊穿特性,兩種不同材料構(gòu)成的二極管的比較:,1.2.3 二極管的主要參數(shù),1. 最大整流電流IF,2. 最大反向工作電壓UR,二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，由PN結(jié) 面積及散熱條件決定。,二極管在使用時(shí)所允許加的最大反向電壓，通常為擊穿電 壓的一半。,1.2.3 二極管的主要參數(shù),3、反向電流IR,4、 最高工作頻率fM,二極管未擊穿時(shí)的反向電流值。,主要由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。超過(guò)此值，單向?qū)щ娦宰儾睢?1.2.4 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)及選擇,一、半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法,第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分,數(shù)字表示器件的電極數(shù),拼音字母表示器件的材料和極性,拼音字

11、母表示器件的類別,數(shù)字表示序號(hào),拼音表示 規(guī)格號(hào),1.2.4 半導(dǎo)體二極管的型號(hào)及選擇,二、選用二極管的一般原則,1、要求導(dǎo)通后正向壓降小的選鍺管；要求反向電流小選硅管。,2、工作電流大時(shí)選面接觸型；工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。,3、反向擊穿電壓高時(shí)選硅管。,4、要求耐高溫時(shí)選硅管。,1.2.5二極管的等效電路,一、理想二極管等效模型,符號(hào)：,正偏時(shí)壓降為零； 反偏時(shí)電流為零。,二極管具有非線性的伏安特性，為便于分析，在一定條件下，對(duì)其進(jìn)行線性化處理，建立二極管的“線性模型”。根據(jù)二極管的不同工作狀態(tài)及分析精度的要求，可選擇不同的模型,1.2.5二極管的等效電路,二、理想二極管恒壓源模型,符號(hào)：,

12、只有正偏電壓超過(guò)導(dǎo)通電壓，二極管才導(dǎo)通，其兩端電壓為常數(shù)；否則二極管不導(dǎo)通，電流為零。,Uon是二極管的導(dǎo)通電壓,除直流信號(hào)外，又引入微小變化的信號(hào)，可以用伏安特性在Q處的切線近似表示實(shí)際的這段曲線。 此切線斜率的倒數(shù)為二極管在Q處的動(dòng)態(tài)電阻等效電阻,三、微變信號(hào)模型,動(dòng)態(tài)電阻與直流工作點(diǎn)位置有關(guān),1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例,1、串聯(lián)限幅電路,二極管與負(fù)載電阻串聯(lián),ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，二極管導(dǎo)通，,Ui負(fù)半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，二極管截止， uo 0,1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例,2、并聯(lián)限幅電路,二極管與負(fù)載電阻并聯(lián),ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，二極管導(dǎo)通， uo on,U

13、i負(fù)半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，二極管截止， uo ui,1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例,3、雙向限幅電路,二極管反向并聯(lián)在輸出端,限制了輸出信號(hào)的正負(fù)幅度,uo on,1、穩(wěn)壓管的伏安特性,1.2.7 穩(wěn)壓管,AB段，電流變化很大而電壓基本不變，可用來(lái)穩(wěn)壓,是一種特殊的半導(dǎo)體二極管,穩(wěn)壓管必須工作在反向工作區(qū),2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),（2） 最小穩(wěn)定電流 Imin,電流為規(guī)定值時(shí)穩(wěn)壓管兩端的電壓值,穩(wěn)壓正常工作時(shí)的最小電流,（3） 最大耗散功率PZM和最大工作電流,2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),（5） 動(dòng)態(tài)電阻 rZ,（6） 穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù) ,穩(wěn)壓管兩端電壓變化量與對(duì)應(yīng)的電流變化量的比值,溫度每變化1C，穩(wěn)定電壓UZ的相對(duì)變化量,穩(wěn)壓管正常工作的條件：,（1