第1章半导体基础知识精选文档.ppt
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1、第1章半导体基础知识本讲稿第一页,共五十二页1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应本讲稿第二页,共五十二页一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1 1、什么是半导体?什么是本征半导体?、什么是半导体?什么是本征半导体?导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用
2、下很容易产生定向移动,形成电流。外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅(半导体硅(Si)、锗()、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本讲稿第三页,共五十二页2、本征半导体的结构由于热运动,具有足够能量的价由于热运动,具有足够能
3、量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子由电子自由电子的产生使共价键中留有自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。共价键共价键 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡动态平衡本讲稿第四页,共五十二页两种载流子两种载流子 外加电场时,带负电的自由电子和外加电场时,带负电的自
4、由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。电性很差。3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。温度升高,热运动加剧,载流温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。子浓度增大,导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。本讲稿第五页,共五十二页二、杂质半导体 1.N N型半导体磷(磷(P)杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现浓度越高,导电性越强,实
5、现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 本讲稿第六页,共五十二页2.2.P型半导体硼(硼(B)多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,质越多,空穴浓度越高,导电性越强,本讲稿第七页,共五十二页三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴浓区空穴浓度远高于度远高于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度
6、降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自区的自由电子浓度降低,产生内电场。由电子浓度降低,产生内电场。本讲稿第八页,共五十二页PN 结的形成 因电场作用所产生的因电场作用所产生的运动称为漂移运动。运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区
7、、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。本讲稿第九页,共五十二页PN结加正向电压导通:结加正向电压导通:耗尽层变窄,扩散运动加耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,成扩散电流,PNPN结处于导通状结处于导通状态。态。PN结加反向电压截止:结加反向电压截止:耗尽层变宽,阻止扩散运动,耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其由于电流很小,故可近似认为其截止。截止。PN 结的单向导电性必要吗?必要吗?空间电荷区也称耗尽层本讲稿第十页,共五十二页四、PN 结的电容效应1.势垒电容 P
8、N结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容等效电容称为扩散电容Cd。结电容:结电容:结电容不是常量!若结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程度,则失结外加电压频率高到一
9、定程度,则失去单向导电性!去单向导电性!本讲稿第十一页,共五十二页2 半导体二极管2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电压电流方程二、二极管的伏安特性及电压电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管 六六、其它二极管其它二极管本讲稿第十二页,共五十二页 一、二极管的组成将将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。结封装,引出两个电极,就构成了二极管。小功率二小功率二极管极管大功率二大功率二极管极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管本讲稿第十三页,共五十二页 一、二极管的组成点接触
10、型:结面积小,结电点接触型:结面积小,结电容小,故结允许的电流小,容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。最高工作频率高。面接触型:结面积大,结面接触型:结面积大,结电容大,故结允许的电流电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。大,最高工作频率低。平面型:结面积可小、可大,平面型:结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允小的工作频率高,大的结允许的电流大。许的电流大。本讲稿第十四页,共五十二页 二、二极管的伏安特性及电压电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启开启电压电压反向饱反向
11、饱和电流和电流击穿击穿电压电压二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性:二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性:UT=kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量 本讲稿第十五页,共五十二页从二极管的伏安特性可以反映出:从二极管的伏安特性可以反映出:1.单向导电性单向导电性2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T()在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS,U(BR)T()正向特性左移正向特性左移,反向特性下移,反向特性下移正向特性为指正向特性为指数曲线数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10本讲稿第十六页,共五十二页三、
12、二极管的等效电路理想理想二极管二极管近似分析中近似分析中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0UD:二极管的导通压降二极管的导通压降(硅管硅管 0.7V;锗;锗管管 0.2V )截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线成线性关系性关系应根据不同情况选择不同的等效电路!应根据不同情况选择不同的等效电路!1.将伏安特性折线化100V?1V?I=?理想模型理想模型恒压降模型恒压降模型折线模型折线模型本讲稿第十七页,共五十二页2.微变等效电路:小信号模型Q越高,越高,rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等当二极管在静态基础上有一动态信号作用
13、时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流本讲稿第十八页,共五十二页四、二极管的主要参数二极管的主要参数 1、最大整流电流最大整流电流IF:二极管长期连续工二极管长期连续工作时,允许通过二作时,允许通过二二极管的最大整流二极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。2、反向击穿电压反向击穿电压UBR:二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。3、反向电流反向电流I IR R:即
14、即IS 在室温下,在规定的反向电压下的反向电流值。硅二在室温下,在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安极管的反向电流一般在纳安(nA)级;锗二极管在微安级;锗二极管在微安(A)级。级。4、最高工作频率最高工作频率fM:指二极管正常工作时的指二极管正常工作时的 上限频率值上限频率值通常规定最大反向工作电压通常规定最大反向工作电压UR为击穿电压的一半为击穿电压的一半本讲稿第十九页,共五十二页二极管电路分析举例【例1-1】电路如图所示,假设图中的二极管是理想的,试判断二极管是否导通,并求出相应的输出电压。5V本讲稿第二十页,共五十二页解:解:二极管二极管D导通,输出电压导通,输
15、出电压uo1=3V 二极管二极管D截止,输出电压截止,输出电压Uo2=5V【例例1-2】电路如图所示,二极管的正向导通压降为电路如图所示,二极管的正向导通压降为0.7V,试分析电路的工作原理,并画出,试分析电路的工作原理,并画出 UO的的 波形。(设波形。(设UREF=2V,Ui为三角波)为三角波)UREF本讲稿第二十一页,共五十二页0-4V4Vuit2.7V02.7Vuot0-4V4Vuit0.7V00.7Vuot本讲稿第二十二页,共五十二页【例例1-3】电电路如图所示,二极管导通电压UD0.7V,常温下UT26mV,电容C对交流信号可视为短路;ui为正弦波,有效值为10mV。试问二极管中流
16、过的交流电流有效值为多少?解:解:二极管的直流电流 ID(VUD)/R2.6mA其动态电阻 rdUT/ID10故动态电流有效值 IdUi/rd1mA本讲稿第二十三页,共五十二页五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流稳压二极管是应稳压二极管是应用在反向击穿区用在反向击穿区的特殊二极管的特殊二极管,由由一个一个PN结组成,反结组成,反向击穿后在一定的向击穿后在一定的电流范围内端电压电流范围内端电压基本不变,为稳定基本不变,为稳定电压。电压。2.主要参数(1)稳定电压稳定电压UZ 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
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