第1章半导基础知识精.ppt

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1、第1章半导基础知识第1页，本讲稿共48页数字量和模拟量数字量和模拟量数字量：数字量：数字量：数字量：在时间和数量上都是在时间和数量上都是离散变化离散变化的物理量。的物理量。0f(t)tt1t3t5t2t4.时间离散，数量离散；时间离散，数量离散；数字信号：数字信号：用来表示数字量的信号。用来表示数字量的信号。特点：特点：特点：特点：物理量的数值大小和每次的增减量物理量的数值大小和每次的增减量变化变化都是某都是某一一个最小数量单位个最小数量单位的整数倍的整数倍。数字电路：数字电路：工作在数字信号下的电路。工作在数字信号下的电路。第2页，本讲稿共48页模拟电路与数字电路模拟电路与数字电路模拟电路：

2、模拟电路：模拟电路：模拟电路：主要用于放大、滤波、信号转换、信号发生、主要用于放大、滤波、信号转换、信号发生、直流电源、高保真和移动通信等方面。直流电源、高保真和移动通信等方面。数字电路：数字电路：数字电路：数字电路：随着计算机科学与技术的高速发展，用数字随着计算机科学与技术的高速发展，用数字电路进行数字信号处理的优势也更加突出。电路进行数字信号处理的优势也更加突出。第3页，本讲稿共48页第第 1 1 章章 半导体二极管及半导体二极管及其应用其应用1.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.2半导体二极管半导体二极管1.3特殊用途的二极管特殊用途的二极管小结小结第4页，本讲稿共48页1.1半导体

3、基础知识半导体基础知识1.1.1半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2PN结及其单向导电性结及其单向导电性第5页，本讲稿共48页硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型模型价电子价电子1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、本征半导体一、本征半导体导电能力导电能力介于导介于导体和绝缘体体和绝缘体之间之间的物质。的物质。如：如：碳碳(C)、硅、硅(Si)、锗锗(Ge)1.1半导体基础知识半导体基础知识半导体器件半导体器件是构成电子电路的是构成电子电路的基本元件基本元件，经过特殊经过特殊加工、性能可控。加工、性能可控。第6页，本讲稿共48页二、二、本征半导体的晶体结构本征半导体的晶

4、体结构本征半导体：本征半导体：纯净的纯净的具有具有晶体结构晶体结构的的半导体。如半导体。如单晶硅、锗。单晶硅、锗。第7页，本讲稿共48页三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子 价电子价电子受外界因素受外界因素的影响（温度增高、受的影响（温度增高、受光照等）获得一定能量光照等）获得一定能量后，摆脱原子核的束缚后，摆脱原子核的束缚（电子受到（电子受到激发激发），成），成为为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键中留下的空位称为键中留下的空位称为空穴空穴。图图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：第8页，本讲稿共

5、48页图图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴第9页，本讲稿共48页四、本征半导体中的载流子浓度四、本征半导体中的载流子浓度3.在一定的温度条件下，载流子的数目是一定的。在一定的温度条件下，载流子的数目是一定的。2.动态平衡动态平衡：在温度不变的情况下，：在温度不变的情况下，本征激发本征激发 复合复合1.1.复复复复 合：合：合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成成对对消消失的过程。失的过程。结论结论：1）本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；）本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2）半导体中有电子和空穴两种载流子参

6、与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3）本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。第10页，本讲稿共48页杂质半导体杂质半导体 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素素,得到得到杂质半导体杂质半导体。掺杂：掺杂：由于掺入的杂质不同，杂质半导体分为：由于掺入的杂质不同，杂质半导体分为：N型型(Negative)P型型(Positive)第11页，本讲稿共48页图图1.1.3 N型半导体型半导体一、一、N型半导体型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价价元素（如磷）。元素（如磷）。电子为电子

7、为多多数载数载流流子子空穴为空穴为少少数数载流载流子子载流子数载流子数 电子数电子数磷原子磷原子第12页，本讲稿共48页二、二、P型半导体型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价元素（如硼）价元素（如硼），形成，形成P型半导体。型半导体。特点：特点：空穴空穴称为称为多子；多子；自由电子自由电子称称为为少子少子。图图1.1.4 P型半导体型半导体载流子数载流子数 空穴数空穴数硼原子硼原子第13页，本讲稿共48页应注意：应注意：不论是不论是N N型半导体还是型半导体还是P P型半导体，虽然都有一种载流子型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是占多数，但整个晶体仍然是不带电不带电

8、的。的。：既然：既然P P型半导体的多数载流子是空穴，型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，少数载流子是自由电子，所以，P P型半导体带正型半导体带正电，电，N N型半导体带负电。此说法正确吗？型半导体带负电。此说法正确吗？思考题思考题第14页，本讲稿共48页1.1.2 PN 结结一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行。阻止扩散进行。第15页，本讲稿共48页3.漂移运

9、动漂移运动：在：在电场力电场力的作用下，载流子的运动的作用下，载流子的运动少子的运动方式少子的运动方式第16页，本讲稿共48页 PN结形成示意图第17页，本讲稿共48页动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流 总电流总电流 I=0。形成PN结第18页，本讲稿共48页正向偏置正向偏置：PN结的结的P区接外电源的正极，区接外电源的正极，N区区接外电源的负极称为接外电源的负极称为“正向连接正向连接”，也叫，也叫做做“正向偏置正向偏置”。二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性反向偏置反向偏置：PN结的结的P区接外电源的负极，区接外电源的负极，N区接外区接外电源的正极，称为电源的正极，称为

10、“反向连接反向连接”，也叫做，也叫做“反向反向偏置偏置”第19页，本讲稿共48页P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子使中和部分离子使空间电荷区变窄空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：结的单向导电性：正偏导通，呈

11、小电阻，电流较大正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 01.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)第20页，本讲稿共48页PN结单向导电性的特点结单向导电性的特点1.正向导通、反向截止；正向导通、反向截止；2.正向电阻小、反向电阻大；正向电阻小、反向电阻大；3.反向电流小、正向电流大；反向电流小、正向电流大；4.正向电流是多子的扩散电流，与外加电压有关，电压正向电流是多子的扩散电流，与外加电压有关，电压越高，电流越大；越高，电流越大；5.反向电流是少子的漂移

12、电流，称为：反向饱和电反向电流是少子的漂移电流，称为：反向饱和电流。与外加电压无关，与激发有关。流。与外加电压无关，与激发有关。第21页，本讲稿共48页1.2 半导体二极管半导体二极管构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：阴极阴极阳极阳极第22页，本讲稿共48页点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底1.2

13、.1 半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构第23页，本讲稿共48页1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性图1.2.3 二极管的伏安特性温度升高，使温度升高，使Uon降低，降低，Is变大。变大。Uon开启电压开启电压硅管硅管:0.5V 锗管锗管:0.1V反向饱和反向饱和电流电流正向导通正向导通硅管硅管:0.60.8V 锗管锗管:0.10.3V反向击穿电压反向击穿电压几十到几千伏几十到几千伏第24页，本讲稿共48页当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管导通二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为硅二极管为硅二极管为硅二

14、极管为0.7 V0.7 V左右左右左右左右锗二极管为锗二极管为锗二极管为锗二极管为0.2 V0.2 V左右左右左右左右死区死区死区死区电压电压电压电压正向特性正向特性正向特性正向特性0.5 1.0 1.50.5 1.0 1.5101020203030U U/V/VI I/mA/mA0 0 二极管正向特性曲线硅二极管为硅二极管为硅二极管为硅二极管为0.5 V0.5 V左右左右左右左右锗二极管为锗二极管为锗二极管为锗二极管为0.1 V0.1 V左右左右左右左右死区电压：死区电压：导通压降：导通压降：正向特性正向特性正向特性正向特性第25页，本讲稿共48页反偏时，反向电流值很小，反偏时，反向电流值很

15、小，反向电阻很大，反向电阻很大，反向电压超过反向电压超过UBR则被击穿。则被击穿。I IS S反向特性反向特性反向特性反向特性U UBRBR结论：结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：二极管方程：反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压 反向特性反向特性反向特性反向特性-2 2-4-4-I I/A AI I/mA/mAU U/V/V-20 -10-20 -100 0第26页，本讲稿共48页2.二极管的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路

16、(a)uD 0，导通；，导通；u D 0.7 V，导通；，导通；uD 0.7 V，截止。，截止。(c)考虑二极管动考虑二极管动态电阻的作用。态电阻的作用。常用常用理想理想考虑考虑 rD第27页，本讲稿共48页例1.2.1图图1.2.6 例例1.2.1 电路图电路图UD=0.7V=?V第28页，本讲稿共48页1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 IF指二极管长期运行时，指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。的数值是由二极管允许的温升所限定。最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工

17、作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为的一半定为UR。第29页，本讲稿共48页室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。流过管子的反向电流。通常希望通常希望IR值愈小愈好。值愈小愈好。IR受温度的影响很大。受温度的影响很大。最高工作频率最高工作频率 fMfM值主要决定于值主要决定于PN结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。结电

18、容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。下页下页上页上页 反向电流反向电流 IR首页首页第30页，本讲稿共48页二极管除了具有单向导电性以外，二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。还具有一定的电容效应。势垒电容势垒电容 Cb由由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。反向偏置时起主要作用。扩散电容扩散电容 Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。正向偏置时起主要作用。第31页，本讲稿共48页1.2.4 二极管的应用整流电路限幅电路第32页，本讲稿共48页 例例例例1.2.1

19、1.2.1已知已知已知已知u uI I =U Ummsin sin t t，画出画出画出画出u uOO和和和和u uD D的波形的波形的波形的波形VDVDR R+-+-u uI Iu uOO+-u uD Di iOOU Umm t tu uo oO O t tu uD DO Ou uI I0 0 时二极管导通，时二极管导通，时二极管导通，时二极管导通，u uOO=u uI I u uD D =0 0u uI I 0 0 时二极管截止，时二极管截止，时二极管截止，时二极管截止，u uD D =u uI I u uOO=0 0-U Ummi io oU Umm t tu uI IO O1.1.整流

20、电路整流电路整流电路整流电路第33页，本讲稿共48页 例例例例1.2.21.2.2已知已知已知已知u uI I =U Ummsin sin t t，画出画出画出画出u uOO的波形的波形的波形的波形VDVDR R+-+-u uI Iu uOO+-u uD Di iOOU Umm t tu uo oO O t tu uD DO O-U Ummi io oU Umm t tu uI IO O2.2.限幅电路限幅电路限幅电路限幅电路第34页，本讲稿共48页1.3 特殊用途的三极管稳压管稳压管发光二极管发光二极管光电二极管光电二极管第35页，本讲稿共48页一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作

21、条件：反向击穿，反向击穿，在一定的电流范围内，端在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。电压几乎不变，表现出稳压特性。iZ/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性1.3.1 稳压二极管稳压二极管等效电等效电路路第36页，本讲稿共48页二、主要参数二、主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的两端的反向击穿反向击穿电压值。电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=

22、UZ IZM4.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 第37页，本讲稿共48页5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数：温度每变化：温度每变化1稳压值得变化量。稳压值得变化量。一般，一般，UZ 4 V，7 V，0(为雪崩击穿为雪崩击穿)具有具有正温度系数正温度系数；4 V UZ 7 V，很小。很小。第38页，本讲稿共48页图图1.2.11 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 例例1.2.2 在图在图1.2.11所示稳压管稳压电路中，已知所示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压Uz=6V，最小稳定电流，最小稳定电流Izm=5mA，最大

23、，最大稳定电流稳定电流IZmax=25mA；负载电阻；负载电阻RL=600。求解限流电阻。求解限流电阻R的取值范围。的取值范围。限流电阻限流电阻?第39页，本讲稿共48页解：解：从图从图1.2.11所示电路可知，所示电路可知，R上电流上电流IR等于稳压管中等于稳压管中电流电流IDZ 和负载电流和负载电流IL之和，即之和，即:IDZ=520mA限流电阻限流电阻R的取值范围为的取值范围为114227。第40页，本讲稿共48页1.3.2 发光二极管二极管发光二极管二极管发光二极管发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置

24、一般工作电流几十一般工作电流几十 mA，导通电压导通电压(1 2)V红红色的色的在在1.61.8V之间，之间，绿色的绿色的约为约为2V。符号符号u/Vi /mAO2特性特性第41页，本讲稿共48页发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED,第42页，本讲稿共48页1.3.3 光电二极管 利用PN结的光敏特性，把光信号转换成电信号的光电传感器件 也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性 第43页，本讲稿共48页小小 结结第第 1 章章第44页，本讲稿共48页一、两种半

25、导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴 价电子价电子两两 种种半导体半导体N 型型 (多电子多电子)P 型型 (多空穴多空穴)二、二、二、二、二极管二极管1.1.特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为 0)，反向电阻大反向电阻大()。第45页，本讲稿共48页iDO uDU(BR)I FURM2.2.主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿超过则击穿)反向饱和电流反向饱和电流 IR (IS)(

26、受温度影响受温度影响)IS第46页，本讲稿共48页3.二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 (大信号状态采用大信号状态采用)uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on)时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3)V0.2 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)第47页，本讲稿共48页4.二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5.特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光敏二极管光敏二极管反反 偏偏光电转换光电转换第48页，本讲稿共48页