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1、第一章,半导体基础知识晶体二极管,1.1 半导体物理基础知识,按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。,1.1.1 本征半导体,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。,硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键联系在一起,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体,本征半导体的导电机理,1.载流子、自由电子和空穴,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有
2、可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,空穴,自由电子,束缚电子,本 征 激 发,2.本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴,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正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流 2.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,热平衡载流子浓度值：,温度越高，载流子
3、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的外部因素，这是半导体的一大特点。,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。,1.N型半导体,在本征Si和Ge中掺入微量五价元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。,所掺入五价元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。,2.P型半导体,在本征Si和Ge中掺入微量三价元素后形成的杂质半导体称为P型半导体。,3.多子和少子,所掺入三价元素称为受主杂质，简称受主（能供给空穴）,P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。,N型半导体中，自由电子为多子，空
4、穴为少子。,1.1.2 两种导电机理漂移和扩散,1.漂移电流,在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成 的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。,漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,2.扩散电流,在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。,半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。,1.2 PN 结,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界
5、面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。,P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。,1.动态平衡下的PN结,空间电荷区的形成,内建电场：,空间电荷区的左侧带负电，右侧带正电，这样在空间电荷区内就形成一个电场，阻止多子的扩散，促进少子的漂移，最终达到动态平衡。,2.PN结的单向特性,正向特性,使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置（简称
6、正偏）。,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,反向特性,P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,随温度的升高而增大，还与PN结面积 成正比的增大。,3.伏安特性,为负值，且 时,即为反向饱和电流,PN结伏安特性曲线,结论：PN结具有单向导电性,PN结加正向电压时，形成较大正向电流ID，呈现电阻小，导通；,PN结加反向电压时，形成的反向电流IS极 小，呈现电阻很大，不导通（截止）；,PN结伏安特性曲线,4.温度特性,当温度升高时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致PN结的
7、反向饱和电流IS增大。,实验结果表明：温度每升高10，IS约增加一倍；VD(on)随温度升高而略有下降（温度每升高1，VD(on)约减小2.5mV）。当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。因此，PN结正常工作的最高温度：Si：150200、Ge：75100,温度对PN结伏安特性曲线的影响,5.电容特性：,PN结除了电流随电压变化（伏安特性）的非线性电阻特性之外，还具有电荷量随电压变化的（伏库特性）非线性电容特性。PN结的结等效电容Cj分为：垫垒电容CT和扩散电容Cd,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，
8、有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,1.3 晶体二极管,晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的。,晶体二极管结构示意图,晶体二极管电路符号,1.3.1 二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高,面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低,
9、平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,1.3.2 二极管的主要参数,最大整流电流IF：二极管长期工作时允许通 过的最大正向平均电流。最大反向工作电压UR：指二极管在使用时所允许加的 最大反向电压，一般取UR=1/2UBR。反向电流IR：指二极管未被击穿时的反向电流值，IR 越小，二极管的单向导电性越好。最高工作频率fM：由PN结电容大小决定，信号频率若 超过fM，二极管的单向导电性就不能很好体现。,1、半导体二极管的主要参数,2、二极管的选择,要求导通电压低时选锗管，要求反向电流小时选硅管。要求导通电流大时选平面型，要求反向工作频率高时选点接触型。要求反向击穿电压高时选硅管
10、；要求耐高温时选硅管。,1.3.3 二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,1.3.3 二极管的等效电路 1.将伏安特性折线化,理想二极管,近似分析中最常用,理想开关导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,2.微变等效电路,1.4 稳压二极管及稳压电路,稳压二极管是利用P
11、N结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，主要用于稳压电路。,1.稳压二极管的特性,其正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。,稳压二极管的伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,2.稳压二极管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。,最小稳定电流 IZmin,保证二极管可靠击穿所允许的最小反向电流，当IZ IZmin时，稳压管不再稳压。,最大稳定电流 IZmax,保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流，当IZIZmax时，PN结将过热而导致烧毁
12、。,3.稳压二极管稳压电路,图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。R为限流电阻，RL为负载。,当Ui，RL变化时，IZ应始终满足Izmin IZIZmax。设Ui的最小值为Uimin，最大值为Uimax；RL最小时IL的最大值为UZ/RLmin,RL最大时IL的最小值为UZ/RLmax。,限流电阻R的选择方法：,当Ui=Uimax,RL=RLmax时，IZ最大。应满足,当Ui=Uimin，RL=RLmin时，IZ最小。应满足,1.5 其它二极管,二极管种类繁多，除普通二极管和前面介绍的稳压二极管外，还有：变容二极管：其增量电容值随外加反向电压而变化；发光二极管：导通时可发光，截止时不发光；光敏二极管：能将光能转换为电能；其它：肖特基表面垫垒二极管、隧道二极管等。,讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极管工作状态的方法？,讨论二,1.V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？2.若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？,V 较小时应实测伏安特性，用图解法求ID。,Q,ID,V5V时，,V=10V时，,uD=V-iR,讨论二,V2V，ID2.6mA,V5V，ID 21.5mA,V10V，ID 50mA,在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！,作业：教材69页 1.3，1.4，1.6,
