模拟电路第2章半导体二极管及其基本电路.ppt
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1、第二章、半导体二极管及其基本电路,2-1 半导体的基本知识,导体:铜,银,铝,铁,绝缘体:云母,陶瓷,塑料,橡胶,半导体:硅,锗,半导体得以广泛应用,是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。,2-1-1 半导体材料,掺杂:掺入少量的杂质,会使电阻率大大降低。 纯硅中掺入百万分之一的硼,电阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。,光照:光照使电阻率降低。,利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。,引起导电性能产生很大变化的外界条件有:,2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构,1、原子结构,硅,+14,锗,+32,共同特点: 最外层具有4个价电子。,2 晶格与共价键,半导体的共价
2、键结构,处于共价键中的电子称为束缚电子,能量小,不能参与导电。,2-1-3 本征半导体与本征激发,本征半导体:高度纯净,结构完整的半导体。,本征激发:束缚电子获得一定的能量,脱离共价键的束缚而成为自由电子的现象。 (锗 0.67ev 硅 1.1ev),认为空穴带正电荷,电荷量等于电子电荷量。,自由电子失去能量,重新回到共价键上,称为复合。,本征激发后,共价键中留下的空位叫空穴。 本征激发产生自由电子和空穴对。,空穴的运动,半导体中有两种载流子:自由电子和空穴。,半导体中的电流是电子流和空穴流之和。,在本征半导体中自由电子数总等于空穴数,且浓度很低,导电能力差。 本征激发产生的载流子浓度随温度增
3、加急剧增大。,束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。,硅原子外层电子比锗离核近,受原子核束缚力大,在同样温度下本征激发小,温度稳定性好。,2-1-4 杂质半导体,P型半导体,在本征半导体中掺入微量 3价元素(如硼)形成 。,空穴-多数载流子(多子) 电子-少数载流子(少子),本征激发产生电子-空穴对。,每一个三价杂质原子产生一个空穴-负离子对。,杂质元素使共价键上缺少1个电子,三价杂质称为受主杂质。,杂质原子获得一个电子成为负离子。 硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴,2 N型半导体,在本征半导体中掺入少量的 五价元素(如磷)形成。,杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的 束缚变成自由电子。
4、,每一个5价杂质原子 产生一个电子-正离子对。,本征激发:电子-空穴对。,杂质原子失去一个电子成为正离子。,5价杂质-施主杂质,电子-多子载流子 空穴-少子载流子,结论,掺杂会大大提高半导体中载流子浓度,使导电性能大增。 掺入五价杂质产生N型半导体(电子型半导体)。 多子电子、少子空穴。 掺入三价杂质产生P型半导体(空穴型半导体)。 多子空穴、少子电子。 多子浓度近似等于杂质浓度, 少子浓度与温度密切相关。,2-2 PN结的形成及特性,1、 PN结的形成,浓度差产生多子的扩散运动, 扩散破坏了原来的电中性, P区失去空穴,留下负离子。 N区失去电子,留下正离子。 正负离子的数量相等。,在P区和
5、N区交界面附近,形成由不能移动的正负离子组成的区间称空间电荷区,也称PN结区。,PN 结区,空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。,内建电场 由空间电荷形成的电场。内建电场阻止多子的扩散运动。,耗尽层 PN结内由于扩散与复合,使载流子几乎被耗尽,是高阻区。 也称为阻挡层。,结区,E,漂移运动 载流子在电场作用下产生的运动。 内建电场有利于少子的漂移运动。,扩散与漂移达到动态平衡时,形成PN结。 动态平衡时流过PN结的总电流为0。,Vo: 硅 0.60.8V 锗 0.10.3V,电位 分布图,电子势能分布图,势垒区 空间电荷在结区内形成电位差, 称接触电位差或结电压,2.2.2 PN结的单向导电性,(
6、1) 外加正向电压,正向偏置: P区接电源端 N区接电源端,在外电场的作用下 P区空穴向结区运动,中和部分负离子。 N区自由电子向结区运动,中和部分正离子。 空间电荷减少, 结区变窄。,原来的动态平衡被打破,多子的扩散电流远大于少子的漂移电流, 产生较大的正向电流IF。,P区、N区为低阻区,结区为高阻区,所以外加电压主要加在结区,抵消内电场的作用。 结内电位差减小,势垒减小。,外加电压很小变化,将引起电流的较大变化。,PN结正向导通,其正向导通电阻很小。,(2) 外加反向电压,反向偏置 : P区接电源端, N区接电源端。, 结内电位差增加, 势垒提高。, P区的空穴,N区的自由电子,均背离结区
7、运动,致使: 空间电荷增加, 结区变宽。,多子的扩散电流趋于0, 由少子的漂移电流产生反向电流。 少子浓度很小,所以反向电流很小。 PN结反向截止,反向截止电阻很大。,少子由本征激发产生,其浓度与材料及温度有关, 所以反向电流几乎与反向电压的大小无关,而随温度增加急剧增大,结论: 加正向电压,很小的电压能产生较大的 电流,外加电压很小变化,将引起电流的较大变化。 加反向电压,只能产生微小的反向电流,且反向电流的大小几乎与反向电压无关。 PN结正向电阻小,反向电阻大,具有单向导电性。,(3) PN 结的V-I特性,IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 VT =kT /q K=1.3810-2
8、3(J/K) q=1.610-19C T 绝对温度 当T=300K时 VT26mV,加正向电压 vD0,几乎与反向电压的大小无关,加反向电压 vD0,3、PN 结的反向击穿,反向电压增加到一定数值时, 反向电流剧增, 这种现象称为反向击穿。(电击穿) 击穿时的反向电压称为反向击穿电压VBR,电击穿,PN 结电击穿的原因: 强电场使自由电子和空穴的数目大大增加,从而使反向电流急剧增加。,反向击穿,热击穿 PN 结温度过高,将结烧坏。, 雪崩击穿: 发生在搀杂浓度较小的PN结。 少子在高反压作用下,以很大能量碰撞束缚电子而形成的连锁反应。 特点:击穿电压较大,(6V) 反向击穿电压随温度上升而增加
9、(正温度系数)。,PN 结电击穿的形式:,齐纳击穿 (场致击穿) 发生在搀杂浓度较高的PN结。 反压虽不太大,但结区窄,结内有很强的电场,将共价键的电子直接大量吸引出来而产生的。 特点:击穿电压较小(6V), 反向击穿电压随温度上升而减小(负温度系数)。,2-3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,半导体二极管是由PN结加电极引线封装而成的,其结构有: 点接触型 ,PN结面积小,极间电容小,高频特性好,但反向耐压较低,正向电流较小。用于高频检波、开关器件等。 面接触型,PN结面积大,反向耐压较高,正向电流较大,用于整流。,二极管的符号,正极 (P),负极 (N),1、正向特性: 存在
10、门坎电压Vth (死区电压) 硅0.5V 锗0.1V 正向导通时压降很小,硅 0.60.8V(估算值0.7V) 锗0.20.3V(估算值0.2V),2.3.2 二极管的V-I特性,实际二极管的V-I特性与PN结特性基本相同。,理想PN结的特性:,2、反向特性 电压小于反向击穿电压时,反向电流很小, 硅管 :1A 、 锗管:几十几百A 反向电流几乎不随反向电压变化,但随温度增加急剧增大。,3、反向击穿特性 当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速增大,产生反向击穿。,思考题:,如何用模拟式万用表判别二极管正负极,测量正反向电阻?,内阻Ro随量程正比例增加。 1, 10, 100, 1K, 10K
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