电子线路课件

二、击穿电压的温度特性
雪崩击穿： 温度升高，载流子热骚动加强，发生碰撞 而电离的机率减少，此时应加大反向电压, 才能发生雪崩击穿，击穿电压具有正的温 度系数 。 齐纳击穿： 温度升高，价电子能量状态增大，价电子 更容易挣脱共价键束缚，则更容易发生齐 纳击穿，击穿电压具有负的温度系数 。
1.2.5 PN结的电容特性
一、 漂移和漂移电流
在外电场作用下，载流子将产生定向运动，其中自由电子逆电场 运动，空穴顺电场运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动，由 它产生的电流称为漂移电流。 迁移率：单位场强下的平均漂移速度，与温度、掺杂浓度等有关。
二、扩散和扩散电流
N型硅半导体
n(x) no
P(x) po x
如图所示，半导体中任一假想面 两侧存在浓度差，则从浓度大的 一面流向浓度小的一面的载流子 将多于从浓度小的一面流向浓度 大的一面的载流子，从而造成载 流子沿x方向的净流动。这种由浓 度差而引起的载流子的运动称为 扩散运动，并形成相应的扩散电 流。扩散电流是半导体区别于导 体的特有电流。
变薄 － + + + + 内电场
+ P
－ － －
N
-
阻挡层宽度减小， 打破动态平衡；多 子扩散加强，形成 较大的扩散电流
R
外电场
E
PN结加正向偏置V: 内建电场VB减小到VB-V 阻挡层宽度减小
E减小
漂移电流
IT减小, 则ID>IT, 形成较大的多子扩散电流
电流的连续性: 外电场从P区拉出电子, 同时向N区补充电子,二 者相等,维持电流的连续.
N型半导体: n 0 Nd
与温度T无关
ni2 ni2 p0 与温度T有关 n0 Nd
T升高, ni升高, p0升高, 当p0≈n0时, 杂质半导体变为 类似的本征半导体. P型半导体具有相似的性质. 少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性 差的主要原因.
1.1.3 两种导电机理—漂移和扩散
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷 原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的
半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这 个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由 电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离 子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
1.1.1 本征半导体
对于半导体中常用的硅和锗，它们原子的最外 层电子都是4个，即有4个价电子。
Si
Ge
一、 本征半导体
硅或锗晶体的四个价电子分别与周围的四个原子的价 电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共 有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。 如图所示 ：
定义导通电压Von： 硅PN结：Von = 0.6～0.8 Ｖ 锗PN结：Von = 0.2～0.3 Ｖ 当V> Von时，PN结导通， 呈低阻特性； 当V< Von时，PN结截止， 呈高阻特性。
1.2.3 PN结的击穿特性
一、雪崩击穿
由于反向电压增大，阻挡层内部电场增强，阻挡层中载流 子动能增大；当增大到一定程度，载流子获得的动能足于把共 价键中的价电子碰撞出来；在强电场作用下，新的载流子又碰 撞出更多的载流子；如此产生连锁反应，使得PN结反向电流急 剧增大，且增大速度极快，所以叫做雪崩击穿。 雪崩击穿一般出现在搀杂浓度较低的PN结中,击穿电压较高。
二、PN 结反向特性
变厚
－ + + + + 内电场 外电场
_ P
－ － －
外加电压使得阻挡层宽度增加，打 破动态平衡少子漂移加强，形成一 定的漂移电流.
N
R
E
少子漂移电流几乎与反偏电压的大 小无关, 称为反向饱和电流,记为IS. 掺杂浓度越大,少子越少, IS越小,温 度越高,少子浓度越高, IS越大,同时 IS的值与PN结面积成正比.
它们称为单晶，是制造半导体的基本材料。
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结 构上呈单晶体形态。
二、 本征激发和复合
当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。 当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的 价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由 电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。自由电 子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子 的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
三、PN结电容
PN结总增量结电容： Cj CT CD 外加正向电压时： CD>>CT， 外加反向电压时： CD0，
Cj CD Cj CT
四、变容二极管
PN结外加反向电压时，主要是一个由势垒电容构成的较理想的 电容器件；可制成变容二极管。
1.2.6 PN结的开关特性
一、理想开关特性
此时热平衡载流子浓度为:
ni AT 3 / 2 e
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。成为杂质半导体
N 型半导体：掺入五价元素的杂质，可使晶体自由 电子浓度大大增加，也称为（电子型 半导体）。 P 型半导体：掺入三价元素的杂质，可使晶体空穴 浓度大大增加，也称为（空穴型半导 体）。
PN结有电荷量随电压变化的非线性电容特性
一、势垒电容
Q dQ 定义： CT |V V dV
其值为伏库特性在电压V上的斜率 表达式为： CT CT (0)
V n (1 ) VB
VB为内建电位差，n为常数，称 为变容指数，其值与PN结的工艺 结构有关。
二、扩散电容
外加电压变化同时改变阻挡层外中性区内贮存的非平 衡载流子，当外加电压增加V时，P区和N区存储的电荷量 相应增加Q, 相当于在PN结上并联了一个电容。 定义： CD kD( I IS)
1
1.2.2 PN结的伏安特性
PN 结加上正向电压、正向偏置： P 区加 正电压，N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置： P区加 负电压， N 区加正电压。
PN结具有单向导电性，若外加电压使电 流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所 以电流大；反之是高阻性，电流小。
一、PN 结正向特性
多余 电子
N 型半导体中的 自由电子浓度大 大增加，而空穴 浓度由于和自由 电子复合机会变 大，浓度反而变 小。
+4 +5
+4 +4
磷原子
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓 度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴 称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形 成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚 电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。 P型半导体中的空 +4 +4 穴浓度大大增加， 而自由电子浓度 由于和空穴复合 +3 +4 机会变大，浓度 硼原子 反而变小。 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
第一章 晶 体 二 极 管
授课教师：王 欢 EMAIL: wanghuan@
晶体二极管

结构示意图

典型的封装形式
1.1 半导体物理基础知识
半导体：有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和 一些硫化物、氧化物等。
半导体的特点：
当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能 力明显改变。 半导体的电阻率为10-3～10-9 *cm。
I
稳压二极管伏安特性曲线：
最小稳定电流： 保证可靠击穿所允许的最小反向 电流。 最大稳定电流： 保证稳压管安全工作所允许的最 大反向电流；当电流大于这个电 流时，加到ＰＮ结中的功率足以 使ＰＮ结过热而烧毁。
稳定电压
Vz
V
Izmin最小稳定电流 Iz Izmax 最大稳 定电流
1.2.4 PN结的温度特性
2
VB
- xp xn
Na，Nd分别为PN结两边的搀杂浓度 ni为本征载流子浓度。VT=kT/q称为 热电压，室温时，VT26mV。每升 高1º C，V 约减小2.5mV。
三、阻挡层宽度
阻挡层向低掺 杂一侧扩展： 动态平衡下阻 挡层宽度为：
xn Na xp Nd
2 Na Nd 2 l 0 xn xp ( VB ) q NaNd
空穴 +4 +4 自由电子
+4
+4 束缚电子
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成 对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合，
本征半导体的导电机理
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定 向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
PN结正偏，呈现出低阻特性； PN结反偏，呈 现出高阻特性。忽略导通电压Von和反向饱和电流IS 的影响，PN结具有理想开关的特性，可以制作成开 关二极管使用。
二、开关特性的非理想性
1．由于二极管导通电压VD(on)的存在，只有加在二极 管两端的正偏电压大于VD(on)时，才能认为二极管作为 开关导通； 2．由于二极管导通后呈电阻特性，只有在负载电阻R 远大于二极管导通电阻时，才能忽略该导通电阻的影 响； 3．二极管反偏时，二极管中的电流并不等于0，约为 IS，此时二极管并不能完全切断电路； 4．由于PN结电容的存在，二极管开关的导通和截止 都需要一定的时间。