模拟电子技术第3章.ppt

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1、1 PN结的单向导电性2 二极管的V-I特性3 二极管模型及分析方法4 稳压二极管重点：重点：半导体器件的基本知识 PN结的形成及特性 二极管 二极管的基本电路及分析方法 特殊二极管 半导体器件的基本知识导体：电阻率为10-6 10-3 cm;半导体：电阻率为10-3 108 cm;绝缘体：电阻率为108 1020 cm;1、物质分类2、半导体特点热敏性：温度升高时，其电阻率迅速下降；光敏性：光线变化时，其电阻率立刻变化；掺杂性：在纯净的半导体（本征半导体）中掺入其他微量元素（杂质半导体），其电阻率迅速下降；3 3、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点GeGeSiSi现代电子学中，用的最

2、多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。它们的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。

3、形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+44 4、本征半导体的导电机理、本征半导体的导电机理在没有外界激发时在没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足

4、够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由

5、两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。5 5 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由

6、电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。+4+4+4+4+5+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子1.1.由磷原子提供的由磷原子提供的电子，浓度与磷原电子，浓度与磷原子相同。子相同。2.2.本征半导体中成本征半导体中成对产生的电子和空对产生的电子和空穴。穴。N N型半导体自由电子称为型半导体自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴），空穴称为称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。N型半导体：掺入5价元素，杂质半导体中自由电子数量大于空穴数量，电子为多数载流子，空穴为少数载流子，以自己电子导电为主。P型半导体：掺入3价元素，杂质半导体中空穴数量大

7、于自由电子数量，空穴为多数载流子，自己电子为少数载流子，以空穴导电为主。半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。的带负电的离子。+4+4+4+4+3+3+4+4空穴空穴硼原子硼原子P P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。PN结的形成及特性结的形成及特性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的电容效应四、PN结的反向击穿特性一、PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型

8、半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差 多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P P型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场

9、内电场E E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。二、PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F正向电流正向电流(2)(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N

10、N区，负极接区，负极接P P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R RP PN N 在一定的温度下，在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓由本征激发产生的少子浓度是一定的，故度是一定的，故I IR R基本上与基本上与外加反压的大小无关外加反压的大小无关，所所以称为以称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但I IR R与温度有关。与温度有关。PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，向扩散电

11、流，呈现低电阻，PN PN结导通；结导通；PNPN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，向漂移电流，呈现高电阻，PN PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。三、PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。(1)势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电，反偏时由于结电阻大因此作用较大。(2)扩散电容CD

12、 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，所以正偏时结电容较大。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。四、PN结的反向击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时（U6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载

13、流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（UVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形 电路如图，电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI=6

14、sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。（2 2）限幅电路）限幅电路（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。对含有二极管的电路，常把二极管当

15、做理想模型处理，正向导通时，可将其视为短路，反向截止时忽略其反向饱和电流，视为开路；分析电路时，先将二极管取下，判别原二极管二端电压方向，再将二极管接上，可知二极管导通情况。1、二极管电路如下图所示,试判断图中的二极管是导通还是截止,并求出 AO 两端电压 VA0，设二极管是理想的。a b解：将二极管取下,Uab=-15+12=-3V二极管D反向截止,所以：UAO=-12V解：将两个二极管取下Uba=12V,二极管D1正向导通Udc=6+12=18二极管D2正向导通，a bc d且Udc Uba所以D2先导通后将D1截止,所以：UAO=-6V 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b)伏安特性

16、(c)应用电路(b)(c)(a)齐纳二极管（稳压二极管）是应用在反向击穿区的特殊硅二极管，伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图 齐纳二极管齐纳二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ 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。其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ稳压二极管的参数 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。正常稳压时正常稳压时 VO=VZ3.5.2 变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）3.5.3 肖特基肖特基(schottky)二极管二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性3.5.4 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 2.发光二极管发光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 3.激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 本章作业n P97题3.4.5(a)(d),P99题