模电4

null半导体二极管及基本电路 半导体二极管及基本电路 半导体的基本知识PN结的形成及特性半导体二极管特殊二极管★二极管基本电路分析null1. 导体、半导体和绝缘体 绕原子核高速旋转的核外电子带负电。 自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。 原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。原子结构中： 原子核中有质子和中子， 其中质子带正电，中子不带 电。3.1 半导体的基本知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。null（1）导体 导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远，因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。 导体的特点：内部含有大量的自由电子null（2）绝缘体 绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。 常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能力极差或不导电。 常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。绝缘体的特点： 内部几乎没有自由电子，因此不导电。null（3）半导体 半导体的最外层电子数一般为4个，常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的导电能力也是介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有硅、锗、硒等。 半导体的特点： 导电性能介于导体和绝缘体之间，但具有光敏性、热敏性和掺杂性的独特性能，因此在电子技术中得到广泛应用。null 金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝 缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率 则在10-9~102s/cm量级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强；热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。2. 半导体的独特性能电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。null3.1.2. 半导体的共价键结构 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四 价元素，即每个原子最外层电子数为4个。Si(硅原子)Ge(锗原子)硅原子和锗原子的简化模型图因为原子呈电中性，所以简化模型图中的原子核只用带圈的+4符号 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示即可。null 天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。 本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元 素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格 结构中，每一个原子均与相邻四个原子的价电子两两组成电 子对，构成共价键结构。本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。实际上半导体的晶格结构是三维的。null从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能像绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。 受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。热运动造成晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。 本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。 由于共价键是定域的，使得这些带正电离子不能移动，成为晶体中固定不动的部分，即它们不能参与导电。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用null受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。 价电子填补空穴的现象称为复合。此时整个晶体带电吗？为什么？ 参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的 空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价 电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同 于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子 载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空 穴载流子运动。null本征激发和复合的动画演示null 半导体中这两种载流子，其 中自由电子载流子运动可以形 容为没有座位的人依次定向移 动；空穴载流子运动则可形容 为有座位的人依次向前挪动座 位的运动。 半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下 达到动态平衡。载流子——可以自由移动的带电粒子。null半导体的导电机理在金属导体中存在大量的自由电子，这些自由电子是一种带电的微粒子，在外电场作用下定向移动形成电流。即金属导体内部只有自由电子一种载流子参与导电。 半导体由于本征激发而产生自由电子载流子，由复合运动产生空穴载流子，因此，半导体中同时参与导电的通常有两种载流子，且两种载流子总是电量相等、符号相反，电流的方向规定为空穴载流的方向即自由电子的反方向。 半导体中同时有两种载流子参与导电，是它与金属导体在导电机理上的本质区别，同时也是半导体导电方式的独特之处。null 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数 量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量 杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。五价元素磷(P)掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。 在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电 子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导 体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。3.1.4. 杂质半导体nullN型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 )多余电子， 成为自由电子自由电子返回null三价元素硼(B)掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴成为这种半导体的导电主流。 一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数 载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体 的导电能力可增强几十万倍。 掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大于自 由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电 子，而不能移动的离子带负电。P型半导体（空穴型半导体）P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）空穴空穴返回nullN型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。 例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级， 在室稳下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级， 比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。 null 不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的 移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的 数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。注意：掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半 导体晶体仍然呈电中性。一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着它带正电？自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否是自由电子填补空穴的运动形成的？null上节回顾 1、导体、半导体和绝缘体的划分及导电原理 电导率 载流子浓度越高，电导率越高 2、半导体的独特性能 光敏性、热敏性、掺杂性 3、本征半导体(intrinsic semiconductor) 完全纯净的、结构完整的半导体晶体 4、本征激发 热运动造成晶体中出现电子空穴对的现象 本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。 5、复合 价电子填补空穴的现象 结果：空穴载流子运动 6、半导体与导体在导电机理上的不同 半导体中同时有两种载流子参与导电 7、杂质半导体（donor and acceptor impurities） N型（电子型或施主型）P型（空穴型或受主型） 多子 少子杂质半导体中的载流子浓度 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=ni2P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子） pp.np=ni2返回杂质半导体中的载流子浓度 杂质半导体中的载流子浓度 2 电中性条件：整块半导体的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: ND>>pn NA>>np null 杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导 体器件的“元概念”和技术起始点。3.2 PN结的形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散 一、漂移 由于热能的激发，半导体内的载流子将作随机的无定向移动，载流子在任意方向的平均速度为0。若有电场加到晶体上，则内部载流子将受力做定向移动。空穴的移动方向与电场方向相同，而电子移动方向与电场方向相反。 由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移（drift ）。 二、扩散 在半导体内，由于制造工艺和运行机制等原因，致使某一特定的区域内，其空穴或电子的浓度高于正常值。基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度的区域扩散，从而形成扩散电流（diffusion current） 。null3.2.2 PN结的形成P区N区空间电荷区(space charge region)内电场P区室温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子；同理，N区施主杂质电离为带负电的自由电子和带正电的施主离子。交界处就出现了电子和空穴的浓度差异，从而形成电子和空穴的扩散。结果交界处的电中性被破坏，P区失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区失去电子，留下带正电的杂质离子。由于离子不能移动，故不参与导电，但会形成一个空间电荷区。空间电荷区内只有不能移动的离子，是载流子能停留的区域或载流子耗尽的区域，故又称耗尽层（depletion layer）nullPN结形成动画演示 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 null PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。 开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强； 另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移，补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。 最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。 PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。nullPN结正向偏置时的情况3.2.3 PN结的单向导电性nullPN结正向偏置内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大PN+_nullP区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏。nullPN结反向偏置的情况nullPN结反向偏置NP+_内电场加强，使扩散停止， 有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流 很小，A级nullP区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。null PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单向 导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而 且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加 电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。 PN结中反向电流的讨论 反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致 电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增 长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设 计电路时，必须考虑温度补偿问题。null总之：PN结正向电阻小，反向电阻大——单向导电性。 PN结的伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线 式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。 第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。null上式可解释如下： （1）当二极管的PN结两端加正向电压时，电压VD为正值，当VD比VT大几倍时，式中的      远大于1。这样，二极管的电流iD与电压VD成指数关系，如上图中的正向电压部分。 （2）当二极管加反向电压时，VD为负值。若|VD|比VT大几倍时，指数项趋近于零。因此iD=–Is，如上图中的反向电压部分所示。可见反向饱和电流Is是个常数，不随外加反向电压的大小而变动。 null3.2.4 PN结的反向击穿问题 PN结反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，基本上可视为零值。但当电压超过某一数值时，反向电流会急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿。发生击穿所需的反向电压VBR称为反向击穿电压。 反向击穿发生在空间电荷区。击穿的原因主要有两种： 当PN结上加的反向电压大大超过反向击穿电压时，处在强 电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格，将价电子碰撞 出来，产生电子空穴对，新产生的载流子又会在电场中获得 足够能量，再去碰撞其它价电子产生新的电子空穴对，如此 连锁反应，使反向电流越来越大，这种击穿称为雪崩击穿。（1）雪崩击穿 雪崩击穿属于碰撞式击穿，其电场较强，外加反向电压相 对较高。通常出现雪崩击穿的电压均在7V以上。 null 当PN结两边的掺杂浓度很高，阻挡层又很薄时，阻挡层内载流子与中性原子碰撞的机会大为减少，因而不会发生雪崩击穿。（2）齐纳击穿 PN结非常薄时，即使阻挡层两端加的反向电压不大，也 会产生一个比较强的内电场。这个内电场足以把PN结内中 性原子的价电子从共价键中拉出来，产生出大量的电子— 空穴对，使PN结反向电流剧增，这种击穿现象称为齐纳击 穿。可见，齐纳击穿发生在高掺杂的PN结中，相应的击穿电压较低，一般均小于5V。 雪崩击穿是一种碰撞的击穿，齐纳击穿是一种场效应击 穿，二者均属于电击穿。电击穿过程通常可逆：只要迅速 把PN结两端的反向电压降低，PN结即可恢复到原状态。 利用电击穿时PN结两端电压变化很小电流变化很大的特 点，人们制造出工作在反向击穿区的稳压管。null 若PN结两端加的反向电压过高，反向电流将急剧增长， 从而造成PN结上热量不断积累，引起其结温的持续升高， 当这个温度超过PN结最大允许结温时，PN结就会发生热击 穿，热击穿将使PN结永久损坏。 热击穿的过程是不可逆的，实用中应避免发生。（3）热击穿null 二极管的反向击穿特性：当外加反向电压超过击穿电压时，通过二极管的电流会急剧增加。 击穿并不意味着管子一定要损坏，如果我们采取适当的措施限制通过管子的电流，就能保证管子不因过热而烧坏。如稳压管稳压电路中一般都要加限流电阻R，使稳压管电流工作在Izmax和Izmix的范围内。 在反向击穿状态下，让通过管子的电流在一定范围内变化，这时管子两端电压变化很小，稳压二极管就是利用这一点达到“稳压”效果的。稳压管正常工作是在反向击穿区。null上节回顾 1、半导体中载流子的两种运动 漂移和扩散 2、PN结的形成 三个阶段 3、PN结的单向导电性 正向偏置 反向偏置 4、PN结的反向击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 热击穿 5、PN结的电容效应 势垒电容 扩散电容null3.2.5 PN结的电容效应PN结的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。（1）势垒电容(Barrier Capacitance) ：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。势垒电容CB大小与PN结的面积S成正比，与空间电荷区的宽度δ成反比，与半导体材料的介电系数ε有关，与外加电压的大小有关。其影响主要表现在反向偏置状态。 大小：0.5～100PF null（2）扩散电容（Diffusion Capacitance） ：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。null能否说出PN结有何特性？半导体与金属导体的导电机理有何不同？什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的 ？null2. 受温度和光照影响，半导体的本征激发产生电子、空穴对；同时，复合运动又使得其它价电子不断地 “转移跳进” 空穴中。一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向饱和电流的数值基本不发生变化。1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。 4. PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。null 把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管 电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示为二极管的部分产品实物图。3.3 半导体二极管null3.3.1. 二极管的基本结构与类型外壳触丝N型锗片正极引线负极引线负极引线底座金锑合金PN结铝合金小球正极引线普通二极管 图符号稳压二极管 图符号发光二极管 图符号 使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。(1) 点接触型二极管(2) 面接触型二极管null(1) 点接触型二极管 一般为锗管， PN结面积小，结电容小，高频性能好，用于高频检波和变频、小电流的整流、脉冲电路及计算机中的开关元件。 一、分类null(3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管一般为硅管，是用合金法或扩散法做成， PN结面积大，可承受较大的电流（可达上千安培），极间电容大，但其工作频率较低，适用于工频及大电流等低频整流电路。null2、半导体二极管图片nullnullnull3.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。 二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区： 外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场 大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。死区正向 导通区反向 截止区 当外加正向电压很低时，由于外电场还 不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运 动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。 这一区域称之为死区。 外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二 极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向 击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。null正向导通区和反向截止区的讨论 当外加正向电压大于死区电压时，二极管由不导通变为导通，电压再继续增加时，电流迅速增大，而二极管端电压却几乎不变，此时二极管端电压称为正向导通电压。 硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.2V。 在二极管两端加反向电压时，将有很小的、由少子漂移运动形成的反向饱和电流通过二极管。 反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快，二是 在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而 与反向电压的高低无关(与少子的数量有关)。所以通常称它为 反向饱和电流。(1) 正向特性(1) 正向特性 硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V(0.5V)左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1~0.3 V(0.1V)左右。 当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。正向区分为两段： 当V ＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2) 反向特性反向区也分两个区域： 当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。 当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。(2) 反向特性(3) 反向击穿特性 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 若|VBR|≥7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|≤5V时, 则主要是齐纳击穿。(3) 反向击穿特性null(1) 最大整流电流IF(2) 反向击穿电压VBR(3) 反向电流IR(4) 正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。3.3.3 二极管的主要参数null(5) 微变电阻 rdvDrd 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。得Q点处的微变电导常温下（T=300K）null(6) 直流电阻 RDvDID null静态电阻Rd ，动态电阻 rd静态电阻 ：Rd=VQ/IQ （非线性）动态电阻： rd =  VQ/  IQ在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻null半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？ 你会做吗？何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？ 为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大 ？null结束