半導(dǎo)體材料及二極管.ppt

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1、第1章 半導(dǎo)體材料及二極管,教學(xué)內(nèi)容和要求,了解半導(dǎo)體基本特性；,了解PN結(jié)導(dǎo)電特性；,掌握二極管的特性及模型；,掌握二極管的應(yīng)用；,了解PN結(jié)的電容效應(yīng)及應(yīng)用。,1、本征半導(dǎo)體,半導(dǎo)體材料硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）,純凈（7N）且具有完整晶格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,一、半導(dǎo)體基本特性,硅、鍺的面心立方體套和晶格結(jié)構(gòu)按立方體組成晶體點陣，任何一個原子都處在一個立方體的中心，相鄰的四個原子則位于立方體的四個頂點。,硅、鍺晶體形成共價鍵結(jié)構(gòu):,價電子、束縛電子,+4表示除去價電子后的原子,在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體內(nèi)最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)。,空穴,自由電子,本征激發(fā)產(chǎn)生兩

2、種載流子（能夠?qū)щ姷碾姾桑┳杂呻娮?、空穴?兩種載流子導(dǎo)電的差異在外電場作用下，自由電子能在晶格中自由運動，是真正的載流子；而空穴導(dǎo)電的本質(zhì)是價電子依次填補晶格中的空位，價電子只在共價鍵間運動，宏觀上我們將其看成空位的定向運動，空穴是一種等效載流子。,空穴的定向運動,自由電子的定向運動,載流子的復(fù)合兩種載流子在熱運動中相遇，使一對自由電子和空穴消失。,在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會達到動態(tài)平衡。,平衡狀態(tài)下單位體積內(nèi)的自由電子（或空穴）數(shù)稱為本征濃度，用ni表示。,2、雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中滲入微量5價元素（如磷）后形成N型雜質(zhì)半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。,施主電離在很低溫度下， 5價元素

3、就會有一個不受共價鍵束縛的價電子成為自由電子。,價電子、束縛電子,自由電子,缺少一個價電子成為不能移動的帶+q的正離子,雖然由施主“提供”了自由電子，但N型半導(dǎo)體仍呈電中性。,N型半導(dǎo)體在一定溫度下既有施主電離產(chǎn)生的自由電子，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,施主電離產(chǎn)生自由電子和正粒子，不會產(chǎn)生空穴；,在本征半導(dǎo)體中滲入微量3價元素（如硼）后形成P型雜質(zhì)半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。,受主電離：在很低溫度下， 3價元素的空位就會由價電子填補，從而形成空穴。,增加一個價電子成為不能移動的帶 -q的負離子,價電子、束縛電子,空穴,雖然由受主“接受”價電子

4、形成了空穴，但P型半導(dǎo)體仍呈電中性。,受主電離產(chǎn)生空穴和負粒子，不會產(chǎn)生自由電子。,P型半導(dǎo)體在一定溫度下既有受主電離產(chǎn)生的空穴，又有本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴；因此，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,平衡狀態(tài)下多子濃度與少子濃度的乘積等于同一溫度時本征濃度的平方（n0p0=ni2）。,它說明：摻雜使多子濃度提高的同時使少子濃度降低；因此，N型半導(dǎo)體的多子濃度n0 本征濃度ni 少子濃度p0；P型半導(dǎo)體的多子濃度p0 本征濃度ni 少子濃度n0 。,雜質(zhì)原子數(shù)的密度與半導(dǎo)體原子數(shù)的密度相比盡管很小，但仍然遠大于常溫時的本征濃度，且常溫下雜質(zhì)電離全部完成；因此，常溫下多子濃度基本等于雜

5、質(zhì)密度，遠大于本征濃度，并基本與溫度無關(guān)。,少子濃度是溫度的函數(shù)。,在相同摻雜條件下，硅的少子濃度遠小于鍺的少子濃度。,3、半導(dǎo)體中的漂移電流與擴散電流,漂移電流在外電場作用下，載流子作宏觀定向運動所形成的電流。,空穴沿電場力方向漂移，自由電子逆電場力方向漂移，雖然兩者漂移方向相反，但形成的漂移電流方向卻相同，總的漂移電流為兩者之和；,漂移電流與電場強度和載流子濃度成正比；,雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度遠大于少子濃度，因而多子漂移電流也遠大于少子漂移電流。,擴散電流載流子因濃度差作宏觀定向運動所形成的電流。,兩種載流子均沿濃度梯度方向擴散，雖然兩者擴散方向相同，但形成的擴散電流方向卻相反，總的擴散電流

6、為兩者之差；,擴散電流與載流子的濃度梯度成正比。,1、PN結(jié)的形成及特點,用某種工藝將本征半導(dǎo)體摻雜為兩個區(qū)：一個區(qū)為P型半導(dǎo)體，另一個區(qū)為N型半導(dǎo)體。,二、 PN結(jié)導(dǎo)電特性,在兩者的界面附近會形成一個特殊的薄層PN結(jié)。,PN結(jié)的形成：,界面兩側(cè)的多子向?qū)Ψ綌U散越界后相當于對方的少子被復(fù)合；,從而在P區(qū)一側(cè)留下受主負離子、在N區(qū)一側(cè)留下施主正離子，形成一個電偶層即由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場進一步擴散進入內(nèi)建電場的多子被漂移回來，最終達到擴散與漂移的動態(tài)平衡。,,內(nèi)建電場,PN結(jié),P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,PN結(jié)的特點：,空間電荷區(qū)結(jié)內(nèi)形成內(nèi)建電場（非電中性），內(nèi)建電壓的典型值為0.7V（Si）或0

7、.35V（Ge）；,耗盡層結(jié)內(nèi)的載流子在PN結(jié)形成過程中已經(jīng)耗盡；,阻擋層（勢壘區(qū)）阻止兩側(cè)多子越結(jié)擴散。,若摻雜密度不同，則形成不對稱PN結(jié)，空間電荷區(qū)向低摻雜區(qū)延伸。,2、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?偏置在半導(dǎo)體器件上所加的直流電壓（偏壓）和電流（偏流）。,由于PN結(jié)是耗盡層，相對于結(jié)外的P區(qū)和N區(qū)而言是高阻區(qū)，偏壓幾乎完全作用在結(jié)層上。,正向偏壓的PN結(jié)：,正偏電壓削弱結(jié)電場，動態(tài)平衡被打破，（由于外電路的強制行為，建立原有動態(tài)平衡的趨勢被遏止?。?PN結(jié)變薄，有利于擴散，從而使多子擴散大于漂移，在外電路形成正向電流。（內(nèi)部存在兩種載流子運動而外電路只有電子運動！）,對外電路而言，相當于PN結(jié)

8、導(dǎo)通。,,,,外電場,正向偏壓,結(jié)電場被削弱,內(nèi)建電場,PN結(jié)變薄,反向偏壓的PN結(jié)反偏電壓增強結(jié)電場， PN結(jié)變寬，多子擴散受到更強的阻擋，對外電路而言，相當于PN結(jié)截止。,顯然，正偏電壓越大， PN結(jié)越薄，越有利于擴散，相應(yīng)外電路的正向電流也越大。,,,,外電場,反向偏壓,內(nèi)建電場,結(jié)電場被增強,PN結(jié)變寬,結(jié)電場的增強有利于少子的越結(jié)漂移，從而在外電路形成反向電流；（同樣，內(nèi)部是兩種載流子運動，外電路只有電子運動?。┯捎谏僮訑?shù)量有限，即使全漂也只能形成很小的反向飽和電流，若忽略不計，仍可認為PN結(jié)是截止的。,綜上， 可以得到PN結(jié)最重要的特性單向?qū)щ娞匦浴?PN結(jié)的伏安特性由理論分析得到

9、,式中：IS為PN結(jié)的反向飽和電流，該值很小，一般硅PN結(jié)IS的值僅pA級；VT為熱電壓，常溫（T=300K）下一般取VT26mV。,可以驗證，只有當vD的值取到0.52V以上時，硅PN結(jié)的iD值才能達到mA級；因此，即使正向偏壓的PN結(jié)也存在一個導(dǎo)通電壓VON，只有當vD大于VON時， PN結(jié)才有明顯的正向電流iD 。,PN結(jié)的伏安特性曲線：,二極管的特性與PN結(jié)的特性基本相同。,1、二極管的伏安特性,形式上，二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性相同：,二極管的核心是PN結(jié)。,三、二極管的特性及模型,式中：IS為二極管的反向飽和電流，比PN結(jié)的略大一點。,二極管的單向?qū)щ娞匦?二極管正偏時，其

10、伏安特性可近似為：,二極管反偏時，其伏安特性可近似為：,正偏二極管存在一個導(dǎo)通電壓VON，小功率硅二極管導(dǎo)通電壓的典型值VON = 0.7V，小功率鍺二極管導(dǎo)通電壓的典型值VON = 0.3V。,二極管反偏時，鍺管的反向飽和電流至少比硅管大三個數(shù)量級以上。,溫度增加時，二極管的反向飽和電流明顯增大。,二極管的反向擊穿導(dǎo)電特性,反向擊穿現(xiàn)象PN結(jié)的反偏電壓大到一定值時，反向電流會急劇增大。,反向擊穿原因：,雪崩擊穿價電子被碰撞電離，發(fā)生于低摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以上；,齊納擊穿價電子被場致激發(fā)，發(fā)生于高摻雜PN結(jié)；擊穿電壓一般在6V以下。,只要保證擊穿時平均管耗不超過允許值，二極管的反向

11、擊穿是一種可逆的電擊穿。,二極管的反向擊穿特性曲線：,穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）是一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管。,2、二極管的直流電阻和交流電阻,二極管的伏安特性表明其為非線性電阻。,二極管的直流電阻一般將二極管的直流電壓VD和直流電流ID稱為二極管的工作點Q，將該工作點Q 處直流電壓直流與電流的比值定義為直流電阻RD，即：,二極管的交流電阻將二極管工作點Q 處微變電壓增量與微變電流增量的比值定義為交流電阻rd，即：,3、二極管模型,分析含二極管的電路時，由于涉及二極管伏安特性（也稱為二極管方程）這樣的非線性方程，工程上一般不采取直接計算的方法。,工程上常用的一種方法是圖解法，又稱負載線法；,

12、,,例1：用圖解法求圖示電路的vD和iD 。,,0.72,7.6,工程上常用的另一種方法是模型法用理想元件構(gòu)成的等效電路來近似非線性器件。,二極管的大信號模型,理想開關(guān)模型：,,恒壓源模型：,,折線近似模型,,例1.1(p18)：用模型法求圖示電路的vD 和iD 。,,二極管用恒壓源模型,vD= 0.7V , iD 0,二極管的小信號模型,一般情況下iD =ID+ id、vD =VD+vd，若id 、vd足夠小，在工作點Q（ID、VD）附近二極管可以線性化，根據(jù)疊加原理，可以分別進行ID、VD 及id 、vd 分析。,計算ID、VD稱為求工作點Q ，需畫出只反映ID、VD的電路直流通路；,計算

13、id 、vd稱為交流小信號分析，需畫出只反映id 、vd的電路交流通路，相應(yīng)需要二極管的小信號模型。,二極管的小信號模型就是二極管在工作點Q處的交流電阻rd 。,例2：圖示電路中v = 2sin(2104t ) mV ，C = 200mF，求id 。,解：畫出直流通路,二極管用恒壓源模型,求出工作點Q 的交流電阻,畫出交流通路,二極管用小信號模型,作業(yè)(p38-39)：1.4、1.6、1.7,半波整流電路,1、整流電路,當vi (t) 0時，D導(dǎo)通；當vi (t) < 0時，D截止；分析整流電路時二極管一般用理想開關(guān)模型。,四、二極管的應(yīng)用,全波整流電路,當vi (t) 0時，D1導(dǎo)通、D2截

14、止；當vi (t) < 0時，D1截止、D2導(dǎo)通。,橋式整流電路,當vi (t) 0時，D1D3導(dǎo)通、D2D4截止；當vi (t) < 0時，D1D3截止、D2D4導(dǎo)通。,實用的整流電路一般需配套濾波電路。,加入濾波電路后，D的導(dǎo)通時間遠小于半同期。,2、限幅電路,并聯(lián)型雙向限幅電路,分析限幅電路時二極管可以用理想開關(guān)模型，也可以用恒壓源模型。,當vi (t) V1時，D1導(dǎo)通、D2截止；vi (t) vi(t) -V2時，D1、D2均截止。,其傳輸特性曲線：,串聯(lián)型雙向限幅電路,假定狀態(tài)分析法：,a,假定狀態(tài)1D1、D2均截止：此時vo(t) =V2，va(t) =V1；由于vo(t) va

15、(t) ，D2導(dǎo)通，與假定狀態(tài)矛盾，故狀態(tài)1不成立；,假定狀態(tài)2D1導(dǎo)通、D2截止：此時vo(t) =V2，va(t) = vi (t) ；只有當vi (t) V2(V1) 時，狀態(tài)2成立；,a,假定狀態(tài)3D1截止、D2導(dǎo)通：此時vo(t) =va(t) = ；只有當vi (t) < 時，狀態(tài)3成立；,a,假定狀態(tài)4D1、D2均導(dǎo)通：此時vo(t) =vi (t)；只有當 < vi (t)

16、般用恒壓源模型。,假定狀態(tài)分析法：,假定狀態(tài)1D1、D2均截止：此時Vo=V；只有當V1、V2< V時，狀態(tài)1成立；,假定狀態(tài)3D1截止、D2導(dǎo)通：此時Vo =V2-0.7；當V2 V而V1

17、是熱擊穿)的必備措施。,穩(wěn)壓管主要參數(shù)：VZ、rZ、IZMAX、IZMIN；,限流電阻R的選?。?穩(wěn)壓管的恒壓源模型,穩(wěn)壓管的折線近似模型,,,例1.3(p27) ：圖示電路中穩(wěn)壓管2DW3的VZ =9V，rZ=4；如果輸入電壓的波動VI/VI =10%，求輸出電壓的波動VO/VO。,解：用折線近似模型代替穩(wěn)壓管,實際上，正向?qū)ǖ亩O管也可以當作穩(wěn)壓管使用。,作業(yè)(p39-42)： 1.10、1.11、1.15、1.16、1.17,在頻率很高時，二極管會失去單向?qū)щ娞匦?，其原因是PN結(jié)存在電容效應(yīng)。,1、PN結(jié)的勢壘電容,勢壘電容外加電壓改變時，空間電荷區(qū)（PN結(jié)）內(nèi)的電荷量隨之改變所產(chǎn)生的

18、電容效應(yīng)。,五、PN結(jié)的電容效應(yīng)及應(yīng)用,正偏電壓增大時，空間電荷區(qū)變窄，勢壘電容增大；反偏電壓增大時，空間電荷區(qū)變寬，勢壘電容減小。,2、PN結(jié)的擴散電容,擴散電容外加正偏電壓改變時， PN結(jié)外擴散區(qū)的非平衡載流子數(shù)量改變所產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,反偏時擴散電容為零；,擴散電容與正向電流近似成正比。,3、二極管高頻小信號模型,勢壘電容和擴散電容分別與偏壓和偏流有關(guān)，它們都不是常數(shù)，均屬于非線性電容。,在工作點定義增量電容（增量電容是線性的）：,記增量勢壘電容為CT，增量擴散電容為CD，則二極管高頻小信號模型為：,4、變?nèi)荻O管,如果使二極管反偏，則擴散電容CD= 0，交流電阻rd很大，高頻時起主導(dǎo)作用的就剩下勢壘電容CT ；,因此，反偏二極管在高頻時可以當作壓控電容來使用。,變?nèi)荻O管專門制造當作壓控電容來使用的二極管。,