模拟电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管.pptx

模拟电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管第1页/共36页§1 半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应无杂质稳定的结构第2页/共36页一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。动态平衡第3页/共36页2、本征半导体的结构共价键由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。两种载流子第4页/共36页3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？第5页/共36页二、杂质半导体 1. N型半导体多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。磷（P）第6页/共36页2. P型半导体多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？硼（B）扩散运动第7页/共36页三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。漂移运动第8页/共36页PN 结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。第9页/共36页PN 结的单向导电性必要吗？PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。结电容：第10页/共36页四、PN 结的电容效应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，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！第11页/共36页问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？第12页/共36页§2 半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管第13页/共36页 一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。稳压二极管发光二极管小功率二极管大功率二极管第14页/共36页 一、二极管的组成点接触型：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。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。第15页/共36页 二、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。开启电压击穿电压反向饱和电流温度的电压当量材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十μA第16页/共36页第17页/共36页利用Multisim测试二极管伏安特性第18页/共36页从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性