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1、第一章：半导体基础及二极管电路,北京邮电大学电信院电路与系统中心,内容提要,内容提要,半导体材料的基本物理特性及PN结原理,半导体二极管的结构及工作特性,几种特殊二极管,二极管基本应用电路及其分析方法,物质的分类,导体(电阻率小于),绝缘体(电阻率大于),半导体（电阻率介于两者之间）,典型的半导体：如硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等,按照导电能力的差别，可以将物质分为：,第一节：半导体的基本特性,半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化,掺杂特性,热敏特性,光敏特性,注意：决定物质导电性能的因素？,本征半导体中的共价键结构(一),价电子,第一节：半导体的基本特性,完全纯净、结
2、构完整的半导体晶体，被称为本征半导体,本征半导体中的共价键结构(二),在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子：,晶体中的共价键结构,第一节：半导体的基本特性,晶格的含义：,本征激发及空穴的移动,当温度很低，没有激发时，半导体不能导电,当温度逐渐升高或有足够光照时，将有少数价电子获得足够能量，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，使得本征半导体具有了微弱的导电能力,产生自由电子后，在原有的共价键中形成空穴,可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现空穴的移动,第一节：半导体的基本特性,载流子的含义,自由电子与空穴均可视为载流子，但所携带电荷的极性不同,在本征半导体
3、中，自由电子与空穴总是成对出现，成为电子-空穴对,从而两种载流子的浓度相等,载流子：载运电流的粒子,电子浓度：,空穴浓度：,电子与空穴的复合及动态平衡,第一节：半导体的基本特性,本征半导体中载流子浓度的影响因素,半导体材料本身的性质,随着温度的升高基本上按照指数规律增加,第一节：半导体的基本特性,杂质半导体,在本征半导体中掺入某种特定的杂质（掺杂），成为杂质半导体后，可以使其导电性能发生质的变化,根据所掺元素的不同，又可将掺杂后的半导体分为N型半导体（掺入5价元素）和P型半导体（掺入3价元素）,增加载流子的数量,提高导电率,注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构,第一节：半导体的基本特性,N型半
4、导体及其性质,对于N型半导体来说，其中的电子浓度大大高于空穴的浓度，又被称为电子型半导体。其中的5价杂质被称为施主杂质,N型半导体中:,电子为多数载流子（多子），主要由杂质原子提供,空穴为少数载流子（少子），主要由热激发产生,不能导电,第一节：半导体的基本特性,P型半导体及其性质,对于P型半导体来说，其中的空穴浓度大大高于电子的浓度，又被称为空穴型半导体。其中的3价杂质被称为受主杂质,P型半导体中:空穴为多数载流子电子为少数载流子,不能导电,第一节：半导体的基本特性,杂质半导体的性质,在杂质半导体中：,多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度,少子的浓度主要取决于温度,半导体杂质的补偿原理,存在着自
5、由电子、空穴和杂质离子三种带电粒子,第一节：半导体的基本特性,载流子在半导体中的运动,第一节：半导体中的载流子及其运动,当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电特性,在外加或内建电场作用下，载流子将有定向的“漂移运动”并产生漂移电流,当载流子浓度分布不均匀时，将从高浓度区域向低浓度区域做定向运动，即“扩散运动”，同时产生扩散电流,半导体中的电流为漂移电流与扩散电流之和,PN结的形成,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,在一块半导体单晶的一边掺入施主杂质，制成N型半导体；在另一边掺入受主杂质，制成P型半导体。在两种杂质半导体的交界面处即形成了PN结,当P区和N区连接在一
6、起构成PN结时，半导体的现实作用才真正发挥出来,PN结的内电场与两种运动,阻挡层(势垒层)：阻挡多子的扩散运动，但引起少子的漂移运动,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结中两种运动的动态平衡(一),多子的扩散运动形成扩散电流，并增加空间电荷区的宽度,少子的漂移运动形成漂移电流，并减小空间电荷区的宽度,当两种运动到达平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结中两种运动的动态平衡(二),动态平衡时交界面两侧的空间电荷量、空间电荷区宽度、内建电场等参量均为常数，且与半导体材料、掺杂浓度、温度有关,耗尽层为高阻区，空间电荷区以外的区域为低阻区,第二节：半导
7、体二极管的工作原理及特性,总结：PN结形成的过程,浓度差,多子的扩散运动,形成空间电荷区,形成内电场,促使少子漂移，阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结的接触电位差与势垒宽度,接触电位差：阻挡多子的扩散运动，又称为“电位势垒”或“势垒”,势垒区的宽度主要是分布在掺杂浓度低的一侧,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结外加正向偏置电压时的特性(一),P区接电源正极，N区接电源负极时，为正向接法（正偏）,势垒区的电位差减小,阻挡层内的合成电场减小,空间电荷总量减小,空间电荷区变窄,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结外加正向偏
8、置电压时的特性(二),扩散电流加大,漂移电流基本不变,正向电流的方向为由P区至N区，且随外加正向电压增加而增加,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,？,注意：PN结上的电压与外加正向电压和中性区电压之间的关系,PN结外加反向偏置电压时的特性,P,N,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,内电场,P区接电源负极，N区接电源正极时，为反向接法（反偏）,外电场,势垒区的电位差增加,阻挡层内的合成电场增加,空间电荷总量增加,空间电荷区变厚,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,反向电流又被称为反向饱和电流，且对温度变化非常敏感,PN结的单向导电性,PN结加正向电压时，呈现低的正向电阻，具有
9、较大的正向电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变PN结加反向电压时，呈现高的反向电阻，具有很小的反向电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化,由此可以得出结论，PN结具有单向导电性：,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,即可以认为二极管正向导通，反向截止,二极管的结构与类型,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的电路符号：,：温度电压当量。当在室温条件下T=300K时，约为26mV,：外接电压,：反向饱和电流,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的电流方程,若为正偏且，则有,若为反偏且，则有,应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别,二极管的伏安特性,第二节：半导体二极管
10、的工作原理及特性,正向工作区：,阈值电压 的含义,反向工作区,反向击穿区,反向击穿电压,二极管的反向击穿特性,击穿,电击穿,热击穿,电击穿,齐纳击穿,雪崩击穿,齐纳击穿：掺杂高，击穿电压小于6V,雪崩击穿：掺杂低，击穿电压大于6V,(可逆),热击穿：,反向高压,反向大电流,结温升高,载流子增多,反向电流增大,功耗增大,。,(不可逆),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的温度特性,温度升高时，反向电流增大,工程上可近似认为温度每增加10摄氏度，约增大一倍,温度升高时，正向伏安特性左移,工程上可近似认为电流保持不变时，温度每增加1摄氏度，二极管压降约减小,第二节：半导体二极管的工作原理及
11、特性,PN结电容-产生原因,产生原因：,PN结两端电压发生变化时，空间电荷区内的电荷量将随之变化,PN结正偏时，由于载流子的扩散，会在中性区内形成非平衡载流子的存储，且存储电荷量与外加正偏电压的大小有关,这些积累的电荷随着外加电压的变化而变化，即表现为二极管的电容效应（即等效）,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结电容-势垒电容,势垒电容描述的是势垒区内的空间电荷随PN结外加电压变化而产生的电容效应，用 表示,势垒电容是非线性电容，将随着外加电压的变化而改变,可以据此制成专用的变容二极管。变容二极管皆应用在反向偏置状态,反偏时空荷区扩大，等效平板电容的距离增加；正偏时空荷区变小，等效平
12、板电容的距离减小,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结电容-扩散电容,扩散电容也是非线性电容，将随着外加电压的变化而改变,当PN结正向偏置时，载流子穿过势垒区向两侧扩散，在势垒区两侧的中性区将产生由非平衡载流子造成的电荷积累。在电压变化时，积累的电荷发生变化，该效应即为扩散电容效应，用 表示,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,PN结电容-总结,势垒电容与扩散电容为并联，PN结电容为两者之和：,正向偏置时PN结电容以扩散电容为主，反向偏置时以势垒电容为主,PN结的电容效应将影响晶体管的响应速度和高频特性,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,二极管的主要参数,最大整流电流,最高反向工
13、作电压,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值,二极管工作时允许外加的最大反向电压,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,反向电流,二极管未击穿时的反向电流,最高工作频率,二极管的上限工作频率,使用二极管参数时的注意事项：温度的影响、参数的分散性,特殊二极管：稳压二极管,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,正常情况下，工作于反向击穿区。反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，从而具有稳压作用,反向击穿电压,最小允许电流,最大允许电流,动态电阻：,稳压管在使用时应串接限流电阻以保证反向电流值在合适范围内,特殊二极管：其它类型,第二节：半导体二极管的工作原理及特性,变容二
14、极管：在高频电路中应用较多,肖特基二极管：内部为金属半导体结，也具有单向导电性,工作速度快,正向导通电压较低，反向击穿电压较低,体电阻较小,光电子器件(一),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,原理：半导体材料的光电转换性质,发光二极管：将电能转换为光能的器件,光敏(电)二极管：将光能转换为电能的器件,光电耦合器：可实现信号的光传输,也可在两者之间使用光纤连接,光电子器件(二),第二节：半导体二极管的工作原理及特性,激光二极管：效率高，产生的是准直单色光束,二极管的等效电阻：静态电阻,第三节：半导体二极管电路,由二极管、线性元件和独立电源构成的电路称为二极管电路，属于非线性电路,当电路中只有
15、直流电源、没有信号源时，二极管对外呈现的直流电阻称为静态电阻,当管子的工作电流和电压都确定后就在特性曲线上确定了静态(直流)工作点Q,二极管的等效电阻：动态电阻,第三节：半导体二极管电路,动态电阻：微变电阻或交流电阻。表示小信号工作情况下，交流电流与交流电压的变化关系,模型的基本概念,能够近似表征器件特性的图表、曲线、函数表达式，或者由基本电路元件构成的电路都可以称为器件的模型,第三节：半导体二极管电路,用数学表达式来表征器件特性的模型称为数学模型；用基本电路元件（如电阻、电容、电感）以及独立电源和受控源构成的模型，称为器件的网络模型,器件模型的精度越高，模型的结构越复杂，要求的模型参数也越多
16、，分析电路时计算量就越大,二极管的模型,第三节：半导体二极管电路,数学模型,理想化模型,恒压降模型,分段线性模型,交流小信号模型,采用模型法分析二极管应用电路,第三节：半导体二极管电路,根据电路的具体情况选择合适的二极管模型，从而把非线性电路转化为线性电路并采用线性电路的分析方法进行分析计算,对于直流电路和大信号工作电路，通常采用理想模型或者恒压降模型进行分析,对于既有直流电源又有小信号源的电路，一般首先利用恒压降模型进行静态分析，估算电路的Q点；然后根据Q点计算出交流电阻；再用小信号模型法进行动态分析，求出小信号作用下的交流电压、电流；最后，将交流量与静态值相叠加，得到完整的结果。,二极管模
17、拟电路：整流电路(一),第三节：半导体二极管电路,利用电子器件的单向导电性将交流电变为直流电的过程称为整流,最简单的半波整流电路及其工作波形,可用滤波器滤除输出电压的交流成分，获得直流电压,二极管模拟电路：整流电路(二),第三节：半导体二极管电路,全波整流电路及其工作波形,二极管模拟电路：限幅电路(一),第三节：半导体二极管电路,按照规定的范围，将输入信号波形的一部分传送到输出端、而将其余部分消去的过程称为限幅,一般利用器件的开关特性实现限幅,限幅器应能够鉴别信号的幅度，其传输特性必须具有线性区和限幅区,：下门限,：上门限,具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅电路，仅有一个门限的称为单向限幅电
18、路。其中，仅有上门限的称为上限幅电路，仅有下门限的称为下限幅电路,二极管模拟电路：限幅电路(二),第三节：半导体二极管电路,，二极管导通，,，二极管截止，,以上两图为上限幅电路,若改变二极管极性则可得下限幅电路,二极管模拟电路：限幅电路(三),第三节：半导体二极管电路,双向限幅电路,二极管模拟电路：稳压电路,第三节：半导体二极管电路,R为限流电阻，其阻值的选择应使稳压二极管工作在稳压区,这种电路稳压工作的原因在于当稳定电流 有较大幅度的变化 时，稳定电压的变化 却很小,故当 或 变化时，电路能自动地调整 的大小，以改变 上的压降，达到维持输出电压 基本恒定的目的,稳压过程简述,二极管模拟电路：钳位电路,第三节：半导体二极管电路,将周期信号波形的某一部分固定在一个选定的电位上，而信号其余部分波形形状保持不变。即使整个信号电压直流平移，平移程度取决于电路,主要原理：二极管导通与截止时的电阻不同，从而电路的充放电时间常数不同，即“快充慢放”,当输入为方波呢？,二极管开关电路(一),第三节：半导体二极管电路,二极管与门,当输入电压中只要有一个为低电平，则输出为低电平；只有当所有输入电压均为高电平时，输出才为高电平,二极管开关电路(二),第三节：半导体二极管电路,二极管或门,当输入电压中只要有一个为高电平，则输出为高电平；只有当所有输入电压均为低电平时，输出才为低电平,
