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1、第一章 半导体基础及应用电路,1.1 半导体基础知识,1.2 PN结原理,1.3 晶体二极管及应用应用,返回,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 漂移电流与扩散电流,引言,返回,1.1半导体材料及导电特性,返回,1.1.1 本征半导体,返回,当Si（或Ge）原子组成单晶体后，各原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要受相邻原子的作用。,因此Si（或Ge）单晶体每个原子都从四周相邻原子得到4个价电子才能组成稳定状态。即每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个原子都共用一对价电子。形成共价键结构。,根据原子的
2、理论：原子外层电子有8个才能处于稳定状态。,1.1.1 本征半导体（intrinsic semiconductor）,返回,量子力学证明：原子中电子具有的能量状态是离散的，量子化的，每一个能量状态对应于一个能级，一系列能级形成能带。,（二）本征激发和两种载流子,返回,（三）本征载流子（intrinsic carrier）浓度,返回,杂质半导体（donor and acceptor impurities）,返回,（一）N型半导体（N Type semiconductor）,+5,返回,在本征半导体中掺入5价元素的杂质（砷、磷、锑）就成为N型杂质半导体。,（一）N型半导体（N Type semic
3、onductor）,+5,返回,1.与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，不起导电作用。,2.在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。称为电子半导体。,3.在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。,自由电子多数载流子（多子）。且多数载流子浓度ni空穴少数载流子（少子）。少数载流子浓度pi,（二）P型半导体（P type semiconductor）,返回,在本征半导体中掺入3价元素（如B硼），就成为P型半导体。,（二）P型半
4、导体（P type semiconductor）,返回,（三）杂质半导体中的载流子浓度,本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi,掺杂半导体中（N or P）掺杂越多多子浓度少子浓度,杂质半导体载流子由两个过程产生：杂质电离多子 本征激发少子,由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：,1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。,N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子）则有 nn.pn=ni2,P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）pp.np=ni2,返回,（三）杂质半导体中的载流子浓度,2 电中性条件：整块半导体的
5、正电荷量与负电荷量恒等。,N型：ND表示施主杂质浓度，则：nn=ND+pn,P型：NA表示受主杂质浓度，pp=NA+np,由于一般总有:NDpn NAnp,返回,1.1.3 漂移电流与扩散电流,半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会 引起导电电流。,引起载流子定向运动的原因有两种：,由于电场而引起的定向运动漂移运动。（漂移电流）,由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）,（一）漂移电流（drift current）,在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压U，在电场E的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：,返回,空穴的平均漂移速
6、度为:Vp=upE,电子的平均漂移速度为:Vn=-unE,(二）扩散 电 流（diffusion current）,返回,1.2 PN结,1.2.2 PN结的单向导电特性,1.2.1 PN结的形成及特点,返回,1.2 PN结,返回,1.2.1 PN结的形成及特点,1.PN结的形成,返回,空间电荷区(space charge region),在N型和P型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的扩散运动：,P型半导体中空穴N区扩散与N区中电子复合 P区留下负离子N区生成正离子,N型半导体中电子（多子）P区扩散与P区空穴复合 N区留下正离子P区生成负离子。,伴随着扩散和复合运动
7、在PN结界面附近形成一个空间电荷区：,具有消弱内建电场E的作用,显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：,多子扩散运动,空间电荷区,内建电场E,达到热平衡（动态平衡）PN结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成PN结。,2.PN结的特点,返回,1.2.2 PN结的单向导电特性,返回,1.正向偏置，正向电流,+,_,返回,仿真,2.反向偏置，反向电流,+,_,返回,仿真,1.3 晶体二极管及应用,132 二极管的电阻,133 二极管的交流小信号等效模型,1.3.4 二极管应用电路,131晶体二极管的伏安特性引言,返回,135 稳压管,136 PN结电容,137 PN结的
8、温度特性,138 二极管主要参数,1.3 晶体二极管及应用,晶体二极管的伏安特性,返回,1.3.1 晶体二极管的伏安特性,返回,UBR,UBR,返回,二极管击穿后端电压几乎不变，具有稳压特性。,返回,Si,iR=-IS,Ge,UBR,UBR,1.0,iD,uD,Si,Ge,uD,（忽略R上的电压）,132 二极管的电阻,返回,电路仿真,iD,+iD,133 二极管的等效模型,返回,（a）伏安特性曲线,UON,UON,（1）理想开关模型,（2）恒压源模型,（3）折线近似模型,例1.1 Si二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1.25所示。求二极管工作点UD和ID的值。,解：将二极管用恒
9、压源模型近似。对于导通的Si管，其工作点电压UD变化不大，可取UD UON 0.7V，由此可算出,例1.2 求解图1.26所示的多二极管电路中的电流ID2和电压UO，假设每个二极管的UON0.7V。,解题技巧：（1）假设二极管的状态。如果假设一个二极管导通，则二极管两端的电压就为UON；如果假设一个二极管截止，则二极管的电流就为零。,（2）用假设的状态分析“线性”电路。如果开始假设二极管为截止，并且分析显示ID=0和二极管端电压UDUON，那么假设就是正确的。如果分析的结果显示ID0和UDUON，那么最初的假设就不成立。,（3）如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再做一个新的假设，
10、然后分析新的“线性”电路。必须重复第(2)步。,解：首先假设二极管VD1和VD2都处于导通状态，根据电路列写节点A、B的电流方程，可得,注意到UB=UA-0.7。联立这两个方程并消去ID2，可得:UA7.62V 和 UB6.92V,代入上式可得：ID2-0.786mA。,负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。,重新假设二极管VD2截止和VD1导通。为了求得节点电压UA和UB，可以应用分压公式计算，结果为,显示二极管VD2确实反向偏置截止，所以ID2=0。,仿真,电路仿真,2二极管的交流小信号等效模型,返回,1.3.4 二极管应用电路,1 整流电路,ui0，二级管截止，iD=0，
11、uo=0,ui0，二级管导通，uo=ui,电路仿真,2二极管限幅电路,右图为双向的限幅电路,如果设：二极管的开启电压UON=0.7V,则有：|ui|UON 时，VD1和VD2都截止，回路中的电流iD=0，uo=ui。,如果，ui UON，VD1导通VD2截止，回路中的电流，利用二极管正向稳压特性，uo=UON。,如果，ui-UON，VD1截止VD2导通，回路中的电流，uo=-UON。,电路仿真,返回,iD,二极管应用电路,3 二极管钳位电路,钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。,当ui=-2.5V时，VD导通，回路中的电流 iD对电容C充电，由于rd 较小，充电时间常数=C rd很小，充电迅速，使:,电路仿真,返回,uc=-ui=2.5V，uo=ui+uc=ui+2.5V=0,当ui0时，VD截止，iD=0，回路无法放电，使电容C的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：uo=ui+uc=ui+2.5V=5V,iD,IZ,返回,uD,Ui,UO,电路仿真,返回,返回,136 PN结电容,返回,返回,二极管主要参数,返回,继续,5.二极管的高频小信号模型,
