模拟第一章 半导体二极管及其应用100908.ppt
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1、1,1.1半导体的基本知识,为什么研究半导体? 电子电路工作的核心器件是晶体管,而晶体管是由半导体材料构成的。,学习本章需掌握半导体的外部特性和主要参数;了解半导体中载流子的运动及半导体二极管的内部工作原理。,2,1.1.1 半导体的导电特性 一、半导体: 导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。 单质半导体:碳(C)、硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体:磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等 本征半导体:99.9999999% 纯度的具有晶体结构的半导体 “九个九” 物质按照其原子排列特点可分为: (晶体:原子、分子完全按照严格的周期性重复排列的物质称为晶体,原子呈无序排列的叫做非晶体,介于这两者之间的叫
2、做准晶体。) 晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。,3,化学元素周期表,4,钻石结构,从本征Si结构上分析其导电性 硅晶体的立体结构,共价键(Covalence Bond),5,在本征半导体中,由于晶体中共价键的结合力很强, 经过研究发现在热力学温度零度(即T = 0 K )时, 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚, 晶体中不存在能够导电的载流子, 半导体不能导电,如同绝缘体一样。,6,图1.1.1 本征半导体平面结构示意图,7,本征激发和复合的过程,8,本征半导体的激发与复合,激发:半导体受外界因素(例如温度、光照、电场等)的影响, 产生“电子空穴对”的过程。 复合:电子空
3、穴对消失的过程。 特点: a. 激发形成两种载流子:自由电子与空穴。,b. 自由电子数 = 空穴数。,c. 两种载流子参加导电。,d. 导电性能与激发因素(温度、光照)有很大关系。,9,图1.1.3 N型半导体,二、杂质半导体导电能力的可控性,通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,得到杂质半导体。,N型半导体,在本征半导体中掺入5价P元素,形成N型半导体。,特点:自由电子的数目远远大于空穴的数目,称为多子;空穴称为少子。,10,在本征半导体中掺入3价B元素,形成P型半导体。,特点:空穴的数目远远大于自由电子的数目,称为多子;自由电子称为少子。,P型半导体,图1.1.4 P型半导体
4、,11,在杂质半导体中: 杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构, 多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度; 而少数载流子的浓度主要取决于温度。 杂质半导体的优点: 掺入不同性质、不同浓度的杂质,可控制它的导电性能。另外光照、温度等外界因素也可以改变其导电性能。这就是为什么选半导体作为制作晶体管材料的原因。,总结,12,硅多用于制造敏感元件,例如光敏电阻、热敏电阻等,可以把非电物理量(例如光照强度、温度)转换为电量(例如电阻、电压、电流)。,光敏电阻的应用举例傻瓜相机,13,小 结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念: 本征半导体 激发、复合、空穴、载流子 杂质半导体 P型半导体和N型半导体,14
5、,1.1.2 PN结及其单向导电性,一、 PN结的形成,二、 PN结的单向导电性,15,一、 PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,16,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面, 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区,由于缺少 多子,所以也称 耗尽层。,图01.06 PN结的形成过程,(动画1-1),PN 结形成
6、 的过程可参阅右图,17,二、 PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中: P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;,P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压, 简称反偏。,18,、 PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结导通呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如下图所示。,(动画1-2),PN结加正向电压 时的导电情况,19,、 PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区,方
7、向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强, 扩散电流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大 于扩散电流,可忽略扩散 电流,PN结截止呈现高 电阻性。,PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。,PN结加反向电压时的导电情况,在一定的温度条件下, 由本征激发决定的少子浓 度是一定的,故少子形成 的漂移电流是恒定的,基 本上与所加反向电压的大 小无关,这个电流也称为 反向饱和电流。,20,PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论:PN结具有单向导电特性。,
8、(动画1-3),PN结加反向电压时 的导电情况,21,PN结单向导电性的特点,正向导通、反向截止; 正向电阻小、反向电阻大; 正向电流大、反向电流小;,导通电压Von 硅材料为0.60.8V左右; 锗材料为0.20.3V左右。,22,1.2 半导体二极管,1.2.1,二极管的结构类型,1.2.2,二极管的伏安特性,1.2.3,二极管的参数,1.2.4,二极管的应用,23,二极管实物照片,1.2.1 二极管的结构类型,二极管形成 在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管,24,(1) 点接触型二极管,PN结面积小,结电容小, 只允许流过几十毫安电流, 用于检波和变频等高频电路。,二极管按材料分
9、:硅二极管和锗二极管。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下所示。,二极管分类,25,(c)平面型,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小,用于高频 整流和开关电路中。电流较大。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大,用 于工频大电流整流电路。 电流可达几安到几十安。,(b)面接触型,(4) 二极管的符号,二极管的结构示意图,26,正向特性,反向特性,+,-,UD,I,1.2.2 二极管的伏安特性及等效电路,一、二极管的伏安特性,图1.2.2二极管的伏安特性,27,当正向电压超过死区电压后, 二极管导通, 电流与电压关系近似指数关系。
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