模拟电子技术经典教程半导体器件基础-PPT课件.ppt

1、2 半导体器件基础u半导体半导体 其导电性能介于绝缘体和导体之间且受外界因素其导电性能介于绝缘体和导体之间且受外界因素 影响较大影响较大,如光如光,温度和掺杂等。温度和掺杂等。半导体材料u制成电子器件的常用半导体材料制成电子器件的常用半导体材料 元素半导体：元素半导体：sisi，GeGe等等 化合物半导体：化合物半导体：GaAsGaAs等等 掺杂用半导体：掺杂用半导体：B B，P P，AlAl等等 +4+4+4+4+4+4+4+4+4正正离离子子核核两两个个电电子子的的共共价价键键半导体的共价键结构半导体的共价键结构(a)(a)硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b)(b)共价键结构平面示意图

2、共价键结构平面示意图(c)硅原子空间排列及共价键结构平面硅原子空间排列及共价键结构平面示意图示意图 本征半导体：本征半导体：纯净的不含杂质的半导体纯净的不含杂质的半导体本征半导体及其导电作用本征半导体及其导电作用本征半导体的特点：本征半导体的特点：在在0K0K时时,呈绝缘体特征；呈绝缘体特征；在在TKTK时，受热激发（本征激发）；产生电子时，受热激发（本征激发）；产生电子空穴对；空穴对；有两种载流子可以参与导电，即自由电子和有两种载流子可以参与导电，即自由电子和空穴。空穴。本征半导体的热激发过程本征半导体的热激发过程（动画1-1）（动画1-2）载流子在晶格中的移动示意图 1.P型半导体型半导体

3、 2.N型半导体型半导体杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（在本征半导体中掺入微量的杂质（3 3价价或或5 5价元素）会使半导体的导电性能显价元素）会使半导体的导电性能显著增强。著增强。在在Si（或（或Ge）中掺入）中掺入5价元素（如磷价元素（如磷P）N型半导体结构示意图N N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+5施主原子的多余的电子施主正离子N N型半导体共价键结构示意图型半导体共价键结构示意图1.1.总的空穴数总的空穴数=本征激发空穴本征激发空穴总的自由电子数总的自由电子数=本征激发的自由电子数本征激发的自由电子数+杂质原子杂质原子 产生的自由电子产生的自由电子

4、3.3.自由电子自由电子为为多数载流子多数载流子 空穴空穴为为少数载流子少数载流子(少子）少子）4.4.所掺杂质称为所掺杂质称为施主杂质施主杂质（或（或N N型杂质、施主原子）型杂质、施主原子）2.2.在无外电场时，呈电中性在无外电场时，呈电中性N N型半导体的特点型半导体的特点 在在SiSi（或（或GeGe）中掺入少量）中掺入少量3 3价元素（如硼、铝、铟等）。价元素（如硼、铝、铟等）。P P 型 半 导 体 的 结 构 示 意 图型 半 导 体 的 结 构 示 意 图P P型半导体型半导体P P型半导体的特点型半导体的特点电子数电子数=本征激发电子；本征激发电子；总的空穴数总的空穴数=本征

5、激发的空穴数本征激发的空穴数+杂质杂质原子原子 产生的空穴；产生的空穴；空穴为多数载流子，空穴为多数载流子，电子为少数载流电子为少数载流子子(少子）；少子）；所掺杂质称为受主杂质（或所掺杂质称为受主杂质（或P P型杂质、型杂质、受主原子）；受主原子）；在无外电场时，呈电中性在无外电场时，呈电中性 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个

6、浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响漂移运动漂移运动：载流子在电场作用下的定向载流子在电场作用下的定向运动。空穴顺着电场方向运动，电子则运动。空穴顺着电场方向运动，电子则反之。反之。扩散运动扩散运动：载流子从浓度高的区域向浓载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。度低的区域运动。载流子的两种运动载流子的两种运动 N 区 P区PNPN结的结构结的结构 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质质,

7、分别形成分别形成N型型半导体和半导体和P型型半导体。此时将在半导体。此时将在N型型半导体和半导体和P型型半导体的结合面上形成半导体的结合面上形成PNPN结。结。因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 动画动画1 13 3PNPN结的形成过程结的形成过程 对于对于P型半导体型半导体和和N型半导体型半导体结合面，离结合面，离子薄层形成的空间电荷区

8、称为子薄层形成的空间电荷区称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平有点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(3)平面型二极管平面型二极管(2)面接触型二极管面接

9、触型二极管(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4)二极管的代表符号二极管的代表符号(d)代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。国产二极管型号命名国产二极管型号命名N型型锗锗材材料料二极管普通管规格号N型型锗锗材材料料P型型锗锗材材料料N型型硅硅材材料料P型型硅硅材材料料W:稳压管，稳压管，V：微波管：微

10、波管半导体二极管实物半导体二极管实物v单向导电性单向导电性v反向击穿特性反向击穿特性v伏安特性伏安特性v开关特性开关特性半导体二极管的特性半导体二极管的特性单向导电性单向导电性PN结加正向电压时结加正向电压时，呈现低电阻，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流具有较大的正向扩散电流PN结加反向电压时结加反向电压时，呈现高电阻，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流具有很小的反向漂移电流 （动画1-4）PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况正向特性正向特性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；

11、反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏。反偏。形成形成正向正向电流电流多子向多子向PNPN结移动结移动空间电荷变窄空间电荷变窄内电场减弱内电场减弱扩散运动大扩散运动大于漂移运动于漂移运动PN结结在在外加正向电压时的情况分析外加正向电压时的情况分析外加电场与内电场方向相反，外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用削减内电场的作用 PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 iD/mA 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 0 1.0 D/V PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 （动画1-5）反向特性反向特性形成形成反向反向

12、电流电流多子背离多子背离PN结移动结移动空间电荷区变空间电荷区变宽宽,内电场增强内电场增强漂移运动大漂移运动大于扩散运动于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况分析结的外加反向电压时的情况分析外加电场与内电场方向一致，外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用增强内电场的作用 PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电

13、流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。v雪崩击穿雪崩击穿 v齐纳击穿齐纳击穿反向击穿特性反向击穿特性当外加的反向电压大于一定的数值（击当外加的反向电压大于一定的数值（击穿电压）时，反向电流急剧增加穿电压）时，反向电流急剧增加 ，称，称为击穿。为击穿。电击穿电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过当反向电流与电压的乘积不超过PNPN结结容许的耗散功率时容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。称为电击穿，是可逆的。即反压降低时即反压降低时,管子可恢复原来的状态。管子可恢复原来的状态。热击穿热击穿:若反向电流与电压的乘积超出若反向电流与电压的乘积超出PNPN结的结的耗散功率耗散功率,则管子会因

14、为过热而烧毁则管子会因为过热而烧毁,形成热击形成热击穿。穿。热击穿热击穿和和电击穿电击穿123456ABCD654321DCBAT itleNum berR evisionSizeBDate:24-M ay-2003Sheet of File:D:longT _M DT _M D21302.schDrawn B y:vDiVVR MDFVFMVIDB RD0.5V0SDIIVVth（Vr）门限电压或死区电门限电压或死区电压压Si:0.5V Ge:0.1V)1(tDVvSDeIiv V Vt t=kT/q(=kT/q(热电压）热电压）v当当T=300KT=300K时，时，V Vt t=26mV=

15、26mVvI IS S反向饱和电流反向饱和电流DsiI反向偏置时：DtvvDsiIe正向偏置时：二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线Si管与管与Ge管管V-I特性的差异特性的差异二极管反偏时截止，似开关断开二极管反偏时截止，似开关断开开关特性开关特性二极管正偏时导通，似开关闭合二极管正偏时导通，似开关闭合二极管的参数二极管的参数管子可以长期安全运行的反向工作电压。管子可以长期安全运行的反向工作电压。一般，一般，V VRMRM=(1/2)V=(1/2)VBRBR管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流123456ABCD654321DCBAT it

16、leNum berR evisionSizeBDate:24-M ay-2003Sheet of File:D:longT _M DT _M D21302.schDrawn B y:vDiVVR MDFVFMVIDB RD0.5V0SDIIV二极管在反偏电压为二极管在反偏电压为V VRMRM时管子的漏电流。时管子的漏电流。I IR R越小，管子的单向导电性越好。越小，管子的单向导电性越好。PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使外加电压使PNPN结上压降发生变化时，离子薄层的结上压降发生

17、变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当厚度也相应地随之改变，这相当PNPN结中存储的电结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。荷量也随之变化，犹如电容的充放电。PN结的电容效应结的电容效应(2)扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图扩散电容是由多子扩散扩散电容是由多子扩散后，在后，在PNPN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。积累而形成的。当外加当外加正向电压不同时，正向电压不同时，PN结结两侧堆积的多子的浓度两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程。相当电容充放电过程。RC如何判断二极管在电路中是导通的如何判断二极管在电路中是导

18、通的还是截止的还是截止的u先假设二极管两端断开，确定二极管两端先假设二极管两端断开，确定二极管两端的电位差；的电位差；u若电路出现两个或两个以上二极管，应先若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。再按照上述方法判断其余的管子是否导通。u根据二极管两端加的是正电压还是反电压根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于判定二极管是否导通，若为正电压且大于阈值电压，则管子导通，否则截止；阈值电压，则管子导通，否则截止；解：将二极管两端断开解：将二极管两端断开12345

19、6ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:12-Aug-2003Sheet of File:E:longT_MDT_MD_P202.schDrawn By:1k5V5VDDO(b)OV10V(a)10VV1k121kD5VVD3V(c)O1k5VDO(d)3VVD21BA5,10ABVV VV (5)(10)5ABthVVV 所以二极管导通所以二极管导通解：将二极管两端断开解：将二极管两端断开12532,734B AB AVVVV二极管二极管D2导通后：导通后：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeB

20、Date:12-Aug-2003Sheet of File:E:longT_MDT_MD_P202.schDrawn By:1k5V5VDDO(b)OV10V(a)10VV1k121kD5VVD3V(c)O1k5VDO(d)3VVD21AB1B27V所以二极管所以二极管D2先导通先导通1572B AVV所以二极管所以二极管D1最终截止最终截止作作 业业P258 P2.3 二极管的电路模型及其应用举例二极管的电路模型及其应用举例 2.1.5 二极管二极管的电路模型的电路模型 2.1.6 二极管的应用举例二极管的应用举例 2.1.5 二极管二极管的电路模型的电路模型 1.理想模型理想模型3.折线模

21、型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型0,0DSvV I:0.7,:0.2DDSi vV Ge vV0.5200DDvVr0SI 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 2.1.5 二极管二极管的电路的电路 模型模型 实实例例 1.二极

22、管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时时mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVthP16 例例2.1.61 2.1.6 应用举例应用举例 1.整流电路整流电路 2.限幅电路限幅电路 3.钳位电路钳位电路P16 例例2.1.6

23、22.1.7 特种二极管特种二极管 1.稳压二极管稳压二极管 2.变容二极管变容二极管 3.光电子器件光电子器件u 光敏二极管光敏二极管u发光二极管发光二极管u激光二极管激光二极管 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压时工作在反向电击穿状态。(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。(3)(3)最大耗散功率最大

24、耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最和最小稳定工作电流小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数 稳压二极管稳压二极管当当 VZ 7 V时，时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当当 VZ 4 V时，时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。rZ=VZ/IZ正向二极管具有负温度系数，反向二极管具正向二极管具有负温度系数，反向二极管具有正温度系数，总的温度系数可以接近于零有正温度系数，总的温度系数可以接近于零

25、 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO=VZIZmin IZ IZmax I t VZ t O I t VZ t O I t VZ t O 特种二极管特种二极管变容二极管：变容二极管：二极管的结电容随外加反向电压的二极管的结电容随外加反向电压的变化而变化变化而变化光敏二极管：光敏二极管：二极管的反向电流随外加的光照强二极管的反向电流随外加的光照强度增大而增大度增大而增大发光二极管（发光二极管（LED）：）：由由、族化合物构成的族化合物构成的PN结，当二极管正向导通时，结，当二极管正向导通时，P区和区和N区的电子空区的电子空穴直接复合导致能量释放而发光穴直接复合导致能量释放而发光肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（SBD）：）：当金属和当金属和N型半导型半导体接触时也有势垒，会形成一个结，称为肖特基势体接触时也有势垒，会形成一个结，称为肖特基势垒结，由此形成的二极管称为垒结，由此形成的二极管称为SBD二极管。特点是二极管。特点是结压小（结压小（Si:03-0.4V）,开关速度快。开关速度快。作作 业业P259 P2.7 P2.9P262 T2.3 题中题中rd应改为应改为rD