模拟电路二极管及其基本电路.pptx
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1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体第1页/共64页 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同,来划分的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。其导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有:元素半导体,如硅(SiSi)、锗(GeGe)等;化合物半导体,如砷化镓(GaAsGaAs)等。以及掺杂或制成其它化合物半导体的材料。半导体具有某些特
2、殊性质:如压敏热敏及掺杂特性,导电能力改变。第2页/共64页 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最现代电子学中,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。外层电子(价电子)都是四个。SiGe第3页/共64页 形成共价键后,形成共价键后,每个原子的最外层电每个原子的最外层电子是八个,构成稳定子是八个,构成稳定结构。结构。共价键有很强共价键有很强的结合力,使原子规的结合力,使原子规则排列,形成晶体。则排列,形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价
3、键中,称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束束缚电子缚电子,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由电子自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导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。电能力很弱。第4页/共64页 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体。它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶体形态。晶体形态。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对在绝对在绝对0 0度(度
4、(T T=0K=0K)和没有外界激发时和没有外界激发时,价电价电子完全被共价键束缚着,子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即动的带电粒子(即载流子载流子),它的导电能力为,它的导电能力为 0 0,相,相当于绝缘体。当于绝缘体。在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子自由电子,同时共价,同时共价键上留下一个空位,称为键上留下一个空位,称为空穴空穴。第5页/共64页 本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即本征半导体中存在数量相等的两种载流子,
5、即自由自由电子电子和和空穴空穴。在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。第6页/共64页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
6、动产生的电流。空穴移动产生的电流。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。温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高,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能的一个重要导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。的外部因素,这是半导体的一大特点。第7页/共64页 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入
7、杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素(如磷)的掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素(如硼)的掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。半导体。第8页/共64页 1.N 1.N型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键,而价电子形成共价键,而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。
8、在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子,电子是多数载流子,它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供;提供;空穴是少数载流子,空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子,因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。第9页/共64页 2.P 2.P型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电键时,缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P P型半导体中型半导
9、体中空穴是多数载流子,空穴是多数载流子,它主要由掺杂形成;它主要由掺杂形成;自自由由电子是少数载流子,电子是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。第10页/共64页 3.杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂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
10、 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约以上三个浓度基本上依次相差约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 4.961022/cm3 第11页/共64页 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end第12页/共64页3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.
11、3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散第13页/共64页 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动:漂移运动:由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动:扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。第14页/共64页 3.2.2 PN结的形成结的形成第15页/共64页 3.2.2 PN结的形成结的形成第16页/共64页 在一块本征半导体两侧通过扩
12、散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: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,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。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 第17页/共64页 对于P P型半导体和N N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PNPN结。在空
13、间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。第18页/共64页 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位,称为加区的电位,称为加正向电压正向电压,简称,简称正偏正偏;反之称为加;反之称为加反向电压反向电压,简称,简称反偏反偏。(1)PN(1)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内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第19页/共64页 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N
14、N区的电位,称为加区的电位,称为加正向电压正向电压,简称,简称正偏正偏;反之称为加;反之称为加反向电压反向电压,简称,简称反偏反偏。(2)PN(2)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,故少子发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,所加反向电压的大小无关,这个电流这个电流也称为也称为反向饱和电流反向饱和电流。第20页/共64页 PNPN结加正向电压时,呈现低电阻,结加正向电压时,呈现低电
15、阻,具有较大的正向扩散电流;具有较大的正向扩散电流;PNPN结加反向电压时,呈现高电阻,结加反向电压时,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。由此可以得出结论:由此可以得出结论:PNPN结具有单结具有单向导电性。向导电性。第21页/共64页 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3)PN(3)PN结结V V-I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下(且在常温下(T T=300K=300K)第22页/共64页 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击
16、穿 当当PNPN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时,反向电加到一定数值时,反向电流突然快速增加,此现象流突然快速增加,此现象称为称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。击穿形式分为两种:雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿:高掺杂情况下,耗尽层很窄,宜于形成强电场,而破坏共价键,使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对,致使电流急剧增加。*击穿并不意味着PNPN结烧坏。第23页/共64页雪崩击穿:雪崩击穿:如果搀杂浓度较低,不会形成齐纳如果搀杂浓度较低,不会形成齐纳击穿,而当反向电压较高时,能加快少子的漂击穿,而当反向电压较高时,能加快少子的漂移速度,从而把电子从共价键中撞出,形成雪移速度,从而把
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