第2章+半导体器件讲述.ppt

2003/6 模拟电子学基础 第 2 章半导体器件 这一章，我们要讨论什么? 历史简述 19世纪末期，无线电通信被发明，当时采用金属粉末作为检波器件 20世纪上半叶，电真空器件成为电子学器件的主力 1948年，巴丁、布莱顿和肖克利发明晶体三极管 半导体基础知识 半导体材料的结构与特点 载流子及其运动 PN结 半导体材料 Si,Ge,GaAs,... 4价元素或化合物 电阻率介于导体与绝缘体之间 具有类似的结构 本征半导体 4价元素，外层有4个电子 每个原子与周围4个原子形成共价键 本征激发：价电子受热（或光照）获得能量 → 脱离共价键 → 载流子（电子与空穴） 杂质半导体 施主杂质 V族元素 共价键多余1个电子 材料中电子多于空穴 N型半导体 受主杂质 III族元素 共价键缺少1个电子 材料中空穴多于电子 P型半导体 杂质半导体中的载流子浓度 多数载流子（简称多子）基本上由掺杂形成，所以多子浓度接近掺杂浓度 少数载流子（简称少子）由本征激发形成 多子浓度远大于少子浓度 若在一块半导体材料中同时掺入施主杂质和受主杂质，则产生杂质补偿作用，杂质半导体的特性由掺杂浓度高的杂质所决定 载流子的运动 扩散 载流子浓度梯度作用下载流子定向运动 扩散电流的大小取决于载流子浓度梯度以及载流子的扩散系数 扩散系数随温度升高而加大，迁移率高的载流子扩散系数也大 漂移 电场作用下的载流子定向运动 电子与空穴的漂移速度(迁移率，记为 μn和 μp)不同，电子的迁移率大于空穴的，迁移率随温度升高也随掺杂浓度上升而下降 PN结 利用杂质补偿原理，在P型和N型半导体的界面上形成PN结 在PN结的界面上发生载流子的扩散 由于复合作用，界面上载流子被耗尽（耗尽层） 耗尽层内由于离子带电形成空间电荷区 空间电荷形成内建电场 内建电场引起的漂移运动与扩散运动方向相反，最终阻止载流子的进一步移动 PN结的势垒高度 由于空间电荷区存在内建电场，电子在各处的电势能不同，形成势垒 正向偏置的PN结 反向偏置的PN结 外电场与内建电场方向相同 势垒宽度增加，势垒高度增加 多子扩散削弱，少子漂移有加强趋势 由于少子数目有限，反向电流很小 PN结的伏安特性 Is 是PN结的反向饱和电流 Is 正比于PN结的面积、电子和空穴的扩散系数、平衡载流子浓度，反比于载流子扩散长度 对于硅PN结来说， Is≈(10-14~10-15)A PN结的伏安特性的特点 正向电流基本上服从指数规律。当V 4VT后，有 反向电流基本上是恒值，等于－Is 单向导电特性 PN结的击穿特性 反向电压增加到达某个极限时，流过PN结的反向电流突然增加，称为PN结的击穿 雪崩击穿 反向电压增加 → 势垒区内的电场强度增加 → 势垒区内的载流子动能增加 → 碰撞加剧 → 原子电离 → 新产生载流子（电子和空穴） → 进一步增加碰撞 齐纳击穿 高掺杂 → 势垒区薄 → 足够高的场强 → 价电子获得足够的能量 → 脱离共价键的束缚成为自由电子→反向电流急剧增加→击穿 高掺杂的PN结的击穿电压比较低，大致低于5~6V 具有负温度系数 PN结的扩散电容 正向偏置情况下，空间电荷区两侧由对方区域注入的非平衡少数载流子的堆积 只存在于正向偏置情况 扩散电容的大小与流过PN结的正向电流成正比 PN结的势垒电容 势垒两侧空间电荷数目以及空间电荷区宽度的改变，类似平板电容 偏置电压越负，势垒电容量越小 。非线性电容 g 为结电容梯度因子。线性缓变结， g = 1/3；突变结， g = 1/2；超突变结， g = 1~6 半导体二极管 二极管的结构与电路符号 结构 符号 二极管的伏安特性 理想二极管模型 只考虑二极管的单向导电性，忽略所有其他因素 适用于定性分析二极管电路的功能 理想二极管模型的应用 半波整流电路的平均输出电压 带导通阈值的理想二极管模型 考虑二极管导通阈值的半波整流电路 二极管工作于交流小信号情况 交流小信号条件：二极管上有两个信号叠加，其中一个是直流电压VDQ，它使得流过二极管的直流电流保持为IDQ，称为静态工作点电流；另一个是交流电压DVD ，它以VDQ 为中心振动，但是振幅很小 交流小信号线性近似模型 近似条件： DVD的振幅很小，忽略非线性因素 DID＝gDDVD 应用小信号近似模型的注意点 只适合于线性近似，在必须考虑非线性效应的场合（例如大信号）不适用 只适合于低频，在高频场合不适用（要考虑PN结电容等作用） 仅考虑二极管对于交流信号的影响时，理想二极管和阈值电压不起作用（即可以等效成仅有一个动态电阻） 二极管的主要特性参数 直流电阻 RD 动态内阻 rD 极间电容 额定电流 IM 反向击穿电压 VBR 最高工作