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1、第一章第一章 半导体基本器件及应用电路半导体基本器件及应用电路1.1 半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性1.2 1.2 PN结原理结原理1.4 双极型晶体管双极型晶体管1.3 1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用返回1.1半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性1.1 .1 本征半导体本征半导体1. 1. 1 . 2 2 杂质半导体杂质半导体1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流引言引言返回引引言言： 什什么么是是半半导导体体：电电阻阻率率 介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间固固体体按按导导电电性性能能上上可可分分为为三三类类：导导体体： 104.cm 如如：金
2、金、银银、铜铜、铝铝绝绝缘缘体体： 1012.cm 如如：云云母母、陶陶瓷瓷半半 导导 体体 : =103109。Cm如如： 硅硅 Si(Silicon) =105.cm锗锗 Ge(Germanium) =4.7103.cm砷砷化化镓镓 GaAs =109.cm2 2 . . 注注 意意 的的 单单 位位 ： 。Cm定定义义： cmcmcmlAR2 3 . 半半导导体体具具有有其其它它特特性性：对对 影影 响响 较较 大大的的 因因 素素：杂杂质质 ，温温度度 ，光光 照照1.1半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性返回1.1 .1 本征半导体本征半导体定定义义: :没没有有杂杂质质、 纯纯
3、净净的的单单晶晶体体称称为为本本征征半半导导体体. .( (一一 ) ) 本本 征征 半半 导导 体体 的的 共共 价价 键键 结结 构构1 1 S S i i 、GG e e原原子子结结构构模模型型14 32 4 4 惯惯性性核核S i(14)和和 G e(32)因因外外层层都都有有 4 个个价价电电子子，由由于于 外外 层层 价价 电电 子子 受受 原原 子子 核核的的 束束 缚缚 力力 小小 ， 许许 多多 物物 理理现现 象象 是是 由由 外外 层层 价价 电电 子子 数数决决 定定 ， 为为 了了 更更 方方 便便 研研 究究价价 电电 子子 的的 作作 用用 常常 把把 原原 子子
4、核核 和和 内内 层层 电电 子子 看看 作作 一一 个个整整体体, ,称称为为惯惯性性核核。价价电电子子返回2 2 共共 价价 键键 结结 构构1.1 .1 本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductor）当当 S S i i（或或 GG e e）原原子子组组成成单单晶晶体体后后，各各原原子子之之间间有有序序、整整齐齐的的排排列列在在一一起起，原原子子之之间间靠靠得得很很近近，价价电电子子不不仅仅受受本本原原子子的的作作用用，还还要要受受相相邻邻原原子子的的作作用用，量量 子子 力力 学学 证证 明明 ： 原原 子子 中中 电电子子 具具 有有 的的 能能 量量状状态态
5、 是是离离散散的的，量量子子化化 的的 ，每每一一个个能能量量状状态态对对应应于于一一个个能能级级，一一系系 列列能能级级形形成成能能带带。根根据据原原子子的的理理论论：原原子子外外层层电电子子有有 8 8 个个才才能能处处于于稳稳定定状状态态。因因此此 S S i i（或或 GG e e）单单晶晶体体每每个个原原子子都都从从四四周周相相邻邻原原子子得得到到 4 4 个个价价电电子子才才能能组组成成稳稳定定状状态态。即即每每一一个个价价电电子子为为相相邻邻原原子子核核所所共共有有，每每相相邻邻两两个个原原子子都都共共用用一一对对价价电电子子。形形成成共共价价键键结结构构。4 4 4 4 4 4
6、 4 4 4 在在 S S i i 或或 GG e e 单单晶晶体体中中，价价电电子子处处于于束束缚缚 状状 态态 ， 其其 能能 量量 较较 低低 ， 处处 于于 较较 低低 的的 能能 带带 称称 为为价价 带带 。 而而 自自 由由 电电 子子 处处 较较 高高 的的 能能 带带 称称 为为 导导 带带 。由由于于价价电电子子至至少少要要获获得得 E g的的能能量量才才能能挣挣脱脱共共价价 键键 的的 束束 缚缚 成成 为为 自自 由由 电电 子子 ， 因因 此此 自自 由由 电电 子子 所所占占 有有 的的 最最 低低 能能 级级 要要 比比 价价 电电 子子 可可 能能 占占 有有
7、的的 最最 高高能能级级高高出出 E g。于于是是 S S i i（或或 GG e e）晶晶体体中中的的能能 量量 分分 布布 中中 有有 一一 段段 间间 隙隙 不不 可可 能能 被被 电电 子子 所所 占占有有。其其宽宽度度为为 E g，称称为为禁禁带带宽宽度度。E g一一般般与与半半导导体体材材料料和和温温度度 T T 有有关关：T=0k (-273.160c) 时， T=300k （室温） Eg0 (Si)=1.21 ev E g(S i)=1.12evEg0 (Ge)=0.785 ev E g(G e)=0.72e电子能量电子能量禁禁带带Eg导带导带价价带带返回 T=0k 且且无无外
8、外界界其其它它能能量量激激发发时时，Eg0较较大大，价价电电子子全全部部束束缚缚在在共共价价键键中中，导导带带中中无无自自由由电电子子。 （此此时时的的本本征征半半导导体体相相当当与与绝绝缘缘体体）2 2 本本 征征 激激 发发 ：T T（or光照） 价价电电子子获获得得能能量量 跃跃迁迁导导带带 自自由由电电子子 位位于于导导带带 空空穴穴 位位于于价价带带E g4 4 4 4 4 4 4 4 4 （二）本征激发和两种载流子（二）本征激发和两种载流子 电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带 注注意意：在在本本征征激激发发（或或热热激激发发）中中，电电子子、空空穴穴成成对对产产生生a:a
9、:空穴带正电量空穴带正电量b b：空穴是半导体中所特有的带单位：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反符号相反c：空穴在价带内运动，也是一种载空穴在价带内运动，也是一种载流子。在外电场作用下可在晶体内流子。在外电场作用下可在晶体内定向移动定向移动空穴：空穴：载载流流子子：物物体体内内运运载载电电荷荷的的粒粒子子，决决定定于于物物体体的的导导电电能能力力。自由电子载流子：带单位负电自由电子载流子：带单位负电空穴载流子空穴载流子 ：带单位正电：带单位正电在在外外电电场场作作用用下下电电子子、空空穴穴运运动动方方向向相相反反，对对电电流流的的
10、贡贡献献是是迭迭加加的的。在在常常温温下下本本征征半半导导体体内内有有两两种种载载流流子子：返回（三）本征载流子（本征载流子（intrinsic carrier）浓度浓度 本征激发本征激发电子电子空穴空穴E g1电子电子 空穴空穴随机碰撞随机碰撞复合复合 （自由电子释放能量）电子空穴对消失（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发本征激发动态平衡动态平衡复合复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。是电子空穴对的两种矛盾运动形式。 在在本本征征半半导导体体中中电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度总总是是相相等等的的若若设设 ni为为电电子子浓浓度度，pi为为空空穴穴浓浓度度本本征征载载流流子子浓浓
11、度度：ni=pi=AoT3/2exp(-Eg0/2kT)其其中中：Ao为为常常数数，与与半半导导体体材材料料有有关关：Si: Ao=3.881016(cm-3.k-2/3) Ge: Ao=1.761016(cm-3.k-2/3) k 为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 k=1.3810-23(J.k-1)当 T=300k（室温） Si: ni=pi1.51010/cm3 Ge: ni=pi2.41013/cm由由上上式式： Tni(or pi)导导电电能能力力 可可制制作作热热敏敏元元件件 影影响响半半导导体体器器件件的的稳稳定定性性 另另外外 光光照照ni(orpi) 导导电电能能力力 可可制制作
12、作光光电电器器件件返回1. 1. 1 . 2 2 杂质半导体杂质半导体（donor and acceptor impurities） 实实际际上上，制制造造半半导导体体器器件件的的材材料料并并不不是是本本征征半半导导体体，而而是是人人为为地地掺掺入入一一定定杂杂质质成成份份的的半半导导体体1 1 什什 么么 是是 杂杂 质质 半半 导导 体体 ： 人人 为为 地地 掺掺 入入 一一 定定 杂杂 质质 成成 份份 的的 半半 导导 体体2 2 为为 什什 么么 要要 掺掺 杂杂 ： 提提 高高 半半 导导 体体 的的 导导 电电 能能 力力例例如如：Si 本本征征半半导导体体（T300k） ：
13、ni=pi=1.5X1010cm3 原原子子密密度度 4.96X1022/cm33.3X1012分之一故故：本本征征半半导导体体的的导导电电能能力力很很弱弱。3 3 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入不不同同种种类类的的杂杂质质可可以以改改变变半半导导体体中中两两种种载载流流子子的的浓浓度度。根根 据据 掺掺 入入 杂杂 质质 的的 种种 类类 可可 分分 为为 ： NN 型型半半导导体体 （掺掺入入 5 5 价价元元素素杂杂质质） P P 型型半半导导体体 （掺掺入入 3 3 价价元元素素杂杂质质）返回（一）（一）NN型半导体型半导体（N Type semiconductor） 4 4 4
14、 5 4 4 4 4 4 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入 5 5 价价元元素素的的杂杂质质（砷砷、磷磷、锑锑）就就成成为为 NN 型型杂杂质质半半导导体体。杂杂质质原原子子能能提提供供多多余余电电子子称称为为施施主主杂杂质质 多多余余电电子子位位于于施施主主能能级级 （进进入入导导带带）成成 为为自自由由电电子子室温T=300k电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带施施主主能能级级+N型型杂杂质质半半导导体体的的特特点点：1 1、 与与本本征征激激发发不不同同，施施主主原原子子在在提提供供多多余余电电子子的的同同时时并并不不产产生生空空穴穴，而而成成为为正正离离子子被被束束缚缚在在
15、晶晶格格结结构构中中，不不能能自自由由移移动动，不不起起导导电电作作用用。2 2、在在室室温温下下，多多余余电电子子全全部部被被激激发发为为自自由由电电子子，故故NN型型半半导导体体中中自自由由电电子子数数目目很很高高（浓浓度度大大）, ,主主要要靠靠电电子子导导电电。称称为为电电子子半半导导体体。3 3、在在 NN 型型半半导导体体中中同同样样也也有有本本征征激激发发产产生生的的电电子子空空穴穴对对，但但数数量量很很小小，自自由由电电子子浓浓度度远远大大于于空空穴穴浓浓度度。+在在NN型型半半导导体体中中：自自由由电电子子多多数数载载流流子子（多多子子） 。且且多多数数载载流流子子浓浓度度n
16、i空空穴穴少少数数载载流流子子（少少子子） 。 少少数数载载流流子子浓浓度度pi+5返回（二）（二）P型半导体型半导体（P type semiconductor）电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带受受主主能能级级- 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入 3 3 价价元元素素 （如如 B 硼硼） ，就就成成为为 P P 型型半半导导体体。3 价价 杂杂 质质 原原 子子 接接 受受 电电 子子 负负 离离 子子 受受 主主 杂杂 质质 （ acceptor impurity） （ 受受 主主 原原 子子 ） 位位 于于 受受 主主 能能 级级 产产 生生 空空 位位 （ 位位 于于 价
17、价 带带 ）室 温T=300k带带负负电电离离子子与与带带正正电电空空穴穴间间有有吸吸引引力力，即即空空穴穴是是受受束束缚缚的的，只只能能在在负负离离子子附附近近活活动动。但但只只要要赋赋予予它它一一定定的的能能量量，它它挣挣脱脱束束缚缚运运动动到到远远离离负负离离子子的的地地方方，该该空空穴穴就就和和本本征征激激发发产产生生的的空空穴穴一一样样可可以以自自由由运运动动。对对半半导导体体的的导导电电有有贡贡献献。杂杂 质质 产产 生生（ 空 位 ） 受受 主主 能能 级级 在在 价价 带带 中中 形形 成成 空空 穴穴 晶晶 格格 中中 留留 下下 负负 离离 子子接 受电 子P型型半半导导体
18、体的的特特点点：1 1、 与与本本征征激激发发不不同同。受受主主原原子子接接受受电电子子在在价价带带中中产产生生一一个个空空穴穴，但但并并不不在在导导带带中中产产生生电电子子，而而在在晶晶格格中中留留下下一一个个负负离离子子。负负离离子子不不能能自自由由移移动动，不不起起导导电电作作用用。2 2 在在室室温温下下3 3价价受受主主原原子子产产生生的的空空位位全全部部可可被被激激发发为为价价带带中中的的空空穴穴，故故P P型型半半导导体体中中空空穴穴数数很很高高，主主要要靠靠空空穴穴导导电电。称称为为空空穴穴半半导导体体。4 4 4 3 4 4 4 4 4 -3 3 P P型型半半导导体体中中也
19、也有有本本征征激激发发而而产产生生电电子子空空穴穴对对，但但由由于于复复合合作作用用，电电子子数数目目很很小小，空空穴穴的的浓浓度度远远大大于于电电子子浓浓度度。P P型型半半导导体体： 多多子子 空空穴穴 且且：多多子子浓浓度度pi 少少子子 电电子子 少少子子浓浓度度ni返回（三）（三）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：本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（掺杂半导体中（N or P）掺杂越多掺杂越多多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度杂质半导体载流子由两个过程产生杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离杂质电离多子多子
20、本征激发本征激发少子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：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：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。温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。NN型半导体：若以型半导体：若以nn表示电子（多子），表示电子（多子），pn表示空穴（少子）表示空穴（少子） 则有则有 nn.pn=ni2P P型半导体：型半导体：pp表示空穴（多子）表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）表示电子浓度（少子） Pp.np=ni22 电中性条件：电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体
21、的正电荷量与负电荷量恒等。 N N型：型： No表示施主杂质浓度表示施主杂质浓度，则：则：nn=No+pn P P型：型： NA表示受主杂质浓度表示受主杂质浓度， Pp=NA+np由于一般总有由于一般总有Nopn NAnp 所以有所以有 N N型：型：nnNo 且：且： pn ni2/ND P P型：型：ppNA npni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度n ni i2 2有关，有关， 与温度无关与温度无关 随温度升高而增加，是半导体随温度升高而增加，是半导体 元件温度漂移的主要原因元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度返回1. 1 . 3
22、 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导 电电流。电电流。引起载流子定向运动的原因有两种：引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动由于电场而引起的定向运动漂移运动。（漂移电流）漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（一）漂移电流（drift current） 在电子浓度为在电子浓度为n,空穴浓度为空穴浓度为p的半导体两端外加电压的半导体两端外加电
23、压V，在电场，在电场E的作用的作用下，下，空穴将沿电场方向运动空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动电子将沿与电场相反方向运动：EV空空穴穴的的平平均均漂漂移移速速度度：vp=up.E电电子子的的平平均均漂漂移移速速度度：vn=-un.E其其中中 up和 un为为空空穴穴和和电电子子的的迁迁移移率率（单单位位电电场场强强度度下下载载流流子子的的平平均均漂漂移移速速度度）所所以以 空空穴穴的的电电流流密密度度：Jpt=q.p.vp=up.q.p.E 电电子子的的电电流流密密度度：Jnt=-q.n.vn=un.q.n.E 其其中中q为为电电子子电电荷荷量量总总的的漂漂移移电电流流密密度度
24、：Jt=Jpt+Jnt=(up.p+un.n)qE返回(二）扩散二）扩散 电电 流流（diffusion current）载流子注入载流子注入光照的作用光照的作用非平衡载流子非平衡载流子 载流子浓度梯度载流子浓度梯度扩散运动扩散运动扩散电流扩散电流扩扩散散电电流流是是半半导导体体中中载载流流子子的的一一种种特特殊殊运运动动形形式式，是是由由于于载载流流子子的的浓浓度度差差而而引引起起的的，扩扩散散运运动动总总是是从从浓浓度度高高的的区区域域向向浓浓度度小小的的区区域域进进行行，光光照照 N型半导体xn (x)p (x)载流子浓度载流子浓度热平衡值热平衡值热平衡值热平衡值x若若用用dx)x(dp
25、,dx)x(dn表表示示非非平平衡衡空空穴穴和和电电子子的的浓浓度度梯梯度度，则则沿沿X方方向向的的扩扩散散电电流流密密度度分分别别为为： Jpo=-qDpdx)x(dpJno=-(-q) Dndx)x(dn=qDndx)x(dn式式中中 DP和和 Dn为为空空穴穴和和电电子子扩扩散散系系数数（单单位位 cm2/s）上上式式表表示示：空空穴穴扩扩散散中中电电流流与与x方方向向相相同同 电电子子扩扩散散电电流流与与x方方向向相相反反 （因为dx)x(dp0，dx)x(dn0）返回1.2 1.2 PN结原理结原理1.2 .2 空间电荷区特点：空间电荷区特点：1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及
26、特点返回NP+-1.2 1.2 PN结原理结原理 在在一一块块 N 型型半半导导体体（or P type） ，用用杂杂质质补补偿偿的的方方法法掺掺入入一一定定数数量量的的 3 3 价价元元素素（o or r 5 5 价价元元素素）将将这这一一部部分分区区域域转转换换成成 P P 型型（或或 NN 型型） ，则则在在它它们们的的界界面面处处便便生生成成 PN 结结。PN 结结是是晶晶体体二二极极管管及及其其它它半半导导体体的的基基本本结结构构，在在集集成成电电路路中中极极其其重重要要。ENP+-返回1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点一一PN结的动态平衡过程和接触电位结的动态平衡过程和接
27、触电位（一） 空空间间电电荷荷区区(space charge region) 在在NN型型和和P P型型半半导导体体的的界界面面两两侧侧，明明显显地地存存在在着着电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差，导导致致载载流流子子的的扩扩散散运运动动：P P型型半半导导体体中中空空穴穴NN 区区扩扩散散与与NN 区区中中电电子子复复合合 P P区区留留下下负负离离子子NN区区生生成成正正离离子子 NN 型型半半导导体体中中电电子子（多多子子）P P 区区扩扩散散与与 P P 区区空空穴穴复复合合 NN 区区留留下下正正离离子子P P 区区生生成成负负离离子子。 NN 区区则则为为正正 P P 区区则则为
28、为负负形形成成内内建建电电场场 E伴伴随随着着扩扩散散和和复复合合运运动动在在PN结结界界面面附附近近形形成成一一个个空空间间电电荷荷区区： 内内建建电电场场 形形成成少少子子的的漂漂移移运运动动 NN区区中中空空穴穴P P区区 P P区区中中电电子子NN区区消弱消弱内建电场内建电场ENP+-ENP+- 显显然然半半导导体体中中多多子子的的扩扩散散运运动动和和少少子子的的漂漂移移运运动动是是一一对对矛矛盾盾运运动动的的两两个个方方面面：多多 子子 扩扩 散散 运运 动动空空间间电电荷荷区区内内建建电电场场E E少少子子漂漂移移结结果果：多多子子扩扩散散运运动动 少少子子的的漂漂移移 扩扩散散电
29、电流流 漂漂移移电电流流热平衡（动态平衡）热平衡（动态平衡） PN 结结中中总总电电流流为为零零。空空间间电电荷荷区区宽宽度度稳稳定定形形成成 PN 结结。返回1.2 .2 空间电荷区特点：空间电荷区特点：1 1. .空空间间电电荷荷区区宽宽度度决决定定于于杂杂质质浓浓度度 一一般般杂杂质质浓浓度度越越高高空空间间电电荷荷区区越越薄薄，空空间间电电荷荷区区伸伸向向杂杂质质浓浓度度低低的的一一侧侧。2 2. .扩扩散散在在空空间间电电荷荷区区内内形形成成一一定定的的空空间间电电荷荷分分布布( (x x) )，P P 区区为为负负，NN 区区为为正正，界界面面处处为为零零。故故 在在 电电 荷荷
30、区区 内内 形形 成成 一一 定定 的的 电电 场场 分分 布布 ：E E = = )x(d dx x ( (为为 介介 质质 常常 数数 ) )。从从而而在在空空间间电电荷荷区区内内造造成成一一定定的的电电位位差差（接接触触电电位位差差） Edx 其其 中中 内内 建建 电电 位位 差差 ： U= UTln pp/pn= UTln nn/np = UTln ppnn/ni2UTln NDNA/ni2 其其中中 UT=KT/q （热热力力学学电电压压） NP+-E电荷密度电荷密度E电场强度电场强度电位电位qU内建电位内建电位势垒（电子势能）势垒（电子势能）qUPN常常温温下下（T300K） U
31、T=26mV Si: U=0.60.8v Ge: U=0.20.3v 3 3由由于于电电子子是是带带负负电电荷荷的的，处处于于高高电电势势处处的的电电子子具具有有较较低低位位能能，而而处处于于低低电电势势处处电电子子具具有有较较高高位位能能所以所以 NN 区电子比区电子比 P P 区能量低区能量低 qU , N, N 区电子区电子 要到达要到达 P P 区区 , ,或或 P P 区空穴要到达区空穴要到达 NN 区必须克区必须克 服势垒服势垒 qU ，故势垒阻碍了扩散运动。故势垒阻碍了扩散运动。故空故空 间电荷区也称为间电荷区也称为势垒区势垒区或或阻挡层阻挡层。 4 4. .空空间间电电荷荷区区
32、内内只只有有不不能能移移动动的的离离子子，是是载载流流子子不不能能停停留留的的区区域域或或载载流流子子耗耗尽尽的的区区域域，故故又又称称耗耗尽尽层层（depletion layer）返回1.31.3晶体二极管及应用晶体二极管及应用132 二极管的电阻二极管的电阻133 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型1. 3. 4 二极管应用电路二极管应用电路131晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性引言引言返回135 稳压管稳压管136 PN结电容结电容137 PN结的温度特性结的温度特性138 二极管主要参数二极管主要参数1.3 1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用晶晶体体二二
33、极极管管 P PNN 结结 欧欧姆姆接接触触电电极极，引引出出线线 管管壳壳NP+-E（一一） 单单向向导导电电偏偏置置：在在P PNN结结两两端端外外接接电电源源电电压压 正正向向偏偏置置：P P 区区接接正正电电源源，NN 区区接接负负 反反向向偏偏置置：NN 区区接接正正，P P 区区接接负负1.3.1 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性返回1. 1. 正向偏置，正向电流正向偏置，正向电流RUNP+-U UiDUU-U-U正正向向偏偏置置外外电电场场削削弱弱内内电电场场 势势垒垒降降低低阻阻挡挡层层变变窄窄破破坏坏P PNN结结动动态态平平衡衡扩扩散散运运动动占占优优势势漂漂移移减
34、减弱弱扩扩散散电电流流Di较较大大。扩散电流的全过程：扩散电流的全过程：电电子子由由电电源源负负极极NN 区区 P PNN 结结P P 区区P P 区区空空穴穴复复合合电电源源正正极极向向 P P 区区提提供供空空穴穴扩散扩散iDiDiDiD+_返回NP+-2. 2. 反向偏置，反向电流反向偏置，反向电流RUUiRU NP+-UU+U+UiRiRiRiR反反向向偏偏置置：外外电电场场与与内内建建电电场场方方向向一一致致P PNN 结结势势垒垒提提高高 （阻阻挡挡层层变变宽宽）漂漂移移占占优优势势扩扩散散减减弱弱漂漂移移电电流流 iR很很小小。 由于由于反向漂移电流是少数载流子漂移形成的电流反向
35、漂移电流是少数载流子漂移形成的电流，而少数载流，而少数载流 子浓度很低，故子浓度很低，故反向电流远小于正向电流反向电流远小于正向电流，即，即 iD|iR| +_返回Si（二）伏安特性二）伏安特性二二极极管管的的电电流流与与端端电电压压之之间间的的关关系系或或曲曲线线1. 二二极极管管的的理理想想伏伏安安特特性性方方程程： iD= Isex p（ uD/UT ） 1 式式中中：uD二二极极管管端端电电压压，UTKT/q,（当当 T300K 时时 UT26mv） ，IS为为饱饱和和电电流流，与与少少数数载载流流子子浓浓度度有有关关。 Ge 1.0iDuDa: 正正偏偏(uD0的的区区域域是是正正向
36、向工工作作区区)： 当当 uD4UT时时，exp（uD/UT）1, iDIs exp（uD / UT） 正正偏偏伏伏安安特特性性方方程程 正正向向电电流流与与正正向向偏偏压压按按指指数数规规律律增增大大。二二极极管管正正向向开开启启（或或门门 限限）电电压压： Si: UON=0.50.6V Ge: UON=0.10.2V UONUON返回一一般般：Si: Is在在1091015A量量级级 Ge: Is在在uA量量级级Si（二）伏安特性二）伏安特性1. 二二极极管管的的理理想想伏伏安安特特性性方方程程： iD=Isexp（ uD/UT ）1 式式中中：uD二二极极管管端端电电压压，UTKT/q
37、,（当当 T300K 时时 UT26mv） ，IS为为饱饱和和电电流流，与与少少数数载载流流子子浓浓度度有有关关。 iR=-IsGeSiGeU(BR)U(BR) 1.0iDuDb: 反反偏偏(U(BR)UD|U(BR)|击击穿穿区区， Si 管反向击穿电压比管反向击穿电压比 Ge 管高管高 二极管击穿后端电压几乎二极管击穿后端电压几乎不变，具有稳压特性。不变，具有稳压特性。 iD=Isexp（ uD/UT ）1 式式中中：uD二二极极管管端端电电压压，UTKT/q,（当当 T300K 时时 UT26mv） ，IS为为饱饱和和电电流流，与与少少数数载载流流子子浓浓度度有有关关。 返回ID 直直流
38、流电电阻阻QUDiDuD定定义义：RD直直流流偏偏压压直直流流电电流流UDID 静静态态工工作作点点（直直流流工工作作点点）Q： （UD，ID） 交交流流电电阻阻（动动态态电电阻阻）定义：定义： rd=(diD /duD )Q-1=2uD /2iD DTTdsDIUUuIdud 1)exp( (因因为为 IDIs exp uD /UT) 可可见见二二极极管管的的动动态态电电阻阻可可以以用用静静态态电电流流来来计计算算。且且有有 IDrd 一一般般：正正偏偏时时：几几几几十十反反偏偏时时：几几百百 K几几兆兆uD（忽略（忽略R上的电压）上的电压）132 二极管的电阻二极管的电阻返回rdCJ 实实
39、际际电电路路：uD: :信号源电压信号源电压 UD：直直流流偏偏置置电电源源 R：限限流流电电阻阻（偏偏置置电电阻阻）D：二二极极管管交交流流小小信信号号电电路路模模型型 在在直直流流工工作作点点确确定定后后，小小信信号号作作用用下下，二二极极管管的的交交流流小小信信号号模模型型可可以以等等效效为为： 交交流流电电阻阻rd 结结电电容容CJCT+CD （具具有有高高频频旁旁路路作作用用） Si 1.0iDuD在低频工作时，在低频工作时，CJ可忽略。可忽略。电路仿真133 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型 返回uiui1.3.4 二极管应用电路二极管应用电路1 整流电路整流电
40、路ui0，二级管导通，二级管导通， ，uo=ui0iD 电路仿真2二极管限幅电路二极管限幅电路右图为双向的限幅电路右图为双向的限幅电路如果设：二极管的开启电压如果设：二极管的开启电压UON = 0.7V则有：则有：|ui| UON ， D1导通导通D2截止，截止，回路中的电流，回路中的电流， 利用二极管正向稳利用二极管正向稳压特性，压特性，uo= UON 。如果，如果， ui- UON ， D1截止截止D2导通，导通，回路中的电流，回路中的电流， uo= -UON 。uDiDUON电路仿真+uo-返回ui1.3.4二极管应用电路二极管应用电路3 二极管钳位电路二极管钳位电路 钳位电路是一种能改
41、变信号的直流电压成分的电路，钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。uc=2.5Vuo设输入信号设输入信号ui为幅度为幅度+2.5V的方波信号，的方波信号，ui2.5V-2.5V当当ui0时，时，D截止，截止， iD=0，回路无回路无法放电，使电容法放电，使电容C的电压保持的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：而输出电压：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5VVo5V电路仿真返回PN 结结击击穿穿后后，反反向向电电流流急急剧剧增增加加，但但端端电电压压几几乎乎不不变变，表表明明击击穿穿后后的的 PN 结
42、结具具有有稳稳压压功功能能，在在安安全全限限流流条条件件下下，利利用用二二极极管管的的击击穿穿特特性性制制作作稳稳压压管管。IZ mi nIZ m a xUZIZUZ 稳稳压压管管的的伏伏安安特特性性正正向向区区：相相当当普普通通二二极极管管 反反向向区区：高高阻阻抗抗器器件件 反反向向击击穿穿区区：稳稳压压元元件件 稳稳定定电电压压 UZ IZmin最最小小允允许许电电流流 IZmax最最大大允允许许电电流流 135 稳压管稳压管返回UiUZUDIZ mi nIZ m a xUZIZUZ2 应应用用电电路路Ui：输输入入电电压压， UD：稳稳定定输输出出电电压压 R：限限流流保保护护电电阻阻
43、， RL：等等效效负负载载 3 限限 流流 电电 阻阻 值值 R 的的 确确 定定 R 必必须须满满足足下下列列关关系系：（1） 当当 Ui max , IZmax（即即 RLmax）时时， 要要 求求IZ IZ m a x ,即即 （Uimax-UZ）R UZ /RLmax ZZLZiUIRUU maxmaxmaxRLmax 2) 当当 Uimin和和 IZmin ( 即即 RLmi n)时时, 要要 求求IZ IZ m in 即即: RUUZi min- - minLZRU IZmin 得得： R5V雪雪崩崩击击穿穿：掺掺杂杂浓浓度度小小势势垒垒区区厚厚 小小数数载载流流子子动动能能撞撞击
44、击价价电电子子产产生生大大量量电电子子空空穴穴对对雪雪崩崩反反映映反反向向电电流流击击穿穿（碰碰撞撞电电离离而而产产生生的的击击穿穿现现象象）反反偏偏电电压压6V返回136 PN结电容结电容+-RUU+_iRPN 结结具具有有电电容容效效应应一一般般 点点接接 触触 型型 PN 结结，结结电电容容小小，使使用用于于高高频频 面面接接触触型型，结结电电容容大大，用用于于低低频频CJCTCD 即即：结结电电容容势势垒垒电电容容扩扩散散电电容容 势势垒垒电电容容 (Barrier Capacitance)PN 结结空空间间电电荷荷区区随随反反向向电电压压的的变变化化而而产产生生的的电电容容效效应应。
45、PN 结结反反偏偏U空空间间电电荷荷区区Q U +-+ +Q- -Q+ +U （1） 定定义义：CT=dQ/dUQ/U 相相当当于于一一个个平平等等板板电电容容器器 （2） 变变容容极极管管特特性性：利利 用用 PN 结结 的的 势势 垒垒 电电 容容 效效 应应可可 制制 造造 变变 容容 二二 极极 管管 。变变容容管管电电容容与与反反偏偏电电压压的的关关系系： nDTT)Uu-(1)0(C=C 式式中中：CT（0）是是 uD=0 时时的的势势垒垒电电容容， U为为接接触触电电位位差差 (si: 0.7V ,Ge: 0.3V) CCTUDuD n=12 突突变变结结变变容容管管 n=13
46、缓缓变变结结 n=126 超超突突变变结结变变 容容 管管 模模 型型 ：其其中中：rT为为P型型和和N型型半半导导体体的的体体电电阻阻rTCT返回载流子浓度当当正正偏偏U扩扩散散 NP Qn PN Qp 。 。 。2 扩扩散散电电容容 CD（Diffusion Capacitance）PN结结正正向向偏偏压压时时载载流流子子在在扩扩散散过过程程中中的的电电荷荷积积累累引引起起的的电电容容效效应应。当当PN结结正正偏偏（V）扩扩散散 NP 非非平平衡衡少少数数载载流流子子（电电子子） PN 非非平平衡衡少少数数载载流流子子（空空穴穴）QpQn. . PNU+U-。 。 。 。 。 。 。. .
47、 . .一一般般 CD可可表表示示为为：CD= TU （ID+IS) 式式中中：非非为为平平衡衡少少数数载载流流子子的的平平均均寿寿命命，ID为为正正向向电电流流所以所以: 正偏时正偏时: ID IS 所以所以 CDTU ID 反偏时反偏时: IDIS ，CD 0， 3 CT与与 CD比比较较一一般般有有： CJCTCD CT CD （1）空空间间电电荷荷区区内内电电荷荷的的变变化化（势势垒垒） 空空间间电电荷荷区区外外（扩扩散散） （2）在在反反偏偏条条件件下下 CJCT 在在正正偏偏条条件件下下 CJCD 返回137 PN结的温度特性：结的温度特性：PN 结结的的特特性性和和参参数数随随温温度度的的变变化化而而漂漂移移。1 PN 结结正正向向电电压压的的温温度度系系数数IDT2T1T2T1UD1 UD2 iDuD 定定义义：uD=TuD iD=常常 数数 TuD i D=常常数数=121D2DTTUU 0 2. IS随随 T 按按指指数数规规律律变变化化：Is(T)Is(T0)2TT02 式式中中：T0=300K, Is(T0)是是 T0=300K 时时的的反反向向饱饱合合电电流流 一一般般 T 变变化化 100CIs变变化化一一倍倍但但 Si 的的 Is比比 Ge 的的小小。 返回