模电第一章演示文稿587502316

2020/6/15
三、PN结的电流方程
qu
i IS ekT 1 ;
IS:反向饱和电流； q：电子的电量；
k：玻尔兹曼常数；
T：热力学温度。
将式中的kT/q用UT取代，则得 u
iISeUT1;T30K 时 0 U ， T2m 6。 V
2020/6/15
四、PN结的伏安特性
u＞0, 正向特性；
图1.2.4 折线化等效电路
（a）理想二极管 （b）正向导通端 电压为常量 （c）正向导通端 电压与电流成线性 关系
2020/6/15
图（a）表明二极管导通时正向压降为零，截止 时反向电流为零，称为“理想二极管”。
图（b）表明二极管导通时正向压降为一个常量 Uon ，截止时反向电流为零，等效电路为理想二极管 串联电压源Uon。
否则造成永久性损坏。
2020/6/15
五、PN结的电容效应 1、势垒电容
耗尽层的宽窄随外加电压的变化而变化，这相 当于电容的充、放电，其所等效的电容称为势垒电 容Cb。如图1.1.11所示。
2020/6/15
图1.1.11
2、扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。
正向偏置时，参加扩散的P区空穴和N区的自由电子 均称为非平衡少子。外加正向电压一定时，靠近耗 尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，远离交界 面地方的浓度低。且浓度自高到低逐渐衰减，直到 零，形成一定的浓度梯度（浓度差），从而形成扩 散电流。外加正向电压增大时，非平衡少子的浓度 增大且浓度梯度也增大，从外部看正向（扩散）电 流增大。当外加正向电压减小时，变化情况相反。
扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容的充 放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容Cd。
2020/6/15
图1.1.12
PN结的结电容Cj是势垒电容Cb和扩散电容Cd 之和，即
Cj=Cb+Cd
2020/6/15
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的常见结构
图1.2.1
(a)是点接触型； (b)是面接触型； (c)是平面型； (d)是二极管的符号。
图（c）表明当二极管正向电压大于Uon后其电流 i和电压u成线性关系，直线斜率为1/rD。二极管截止 时反向电流为零。等效电路为理想二极管串联电压源 Uon和电阻rD，且rD=△U/△I。 二、二极管的微变等效电路
在Q点基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为 切点的切线来近似微小变化时的曲线。
2020/6/15
u＜0, 反向特性；
反向电压大时反向击穿。
高掺杂情况，耗尽层很
图1.1.10
窄，不大的反向电压可产生 很大的电场，直接破坏 共价
键，产生电子-空穴对，称为齐纳击穿；掺杂浓度
较低，反向电压较大时，电场使少子加快漂移速
度，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，又
撞出价电子，称为雪崩击穿。击穿时要限制电流,
图1.1.6
2020/6/15
2、外加反向电压时PN 处于截止状态
PN结处于反向偏置状 态。外电场使空间电荷区 变宽，加强了内电场，阻 止扩散运动的进行，加剧 漂移运动的进行，形成反 向电流，也称为漂移电流。 因为少子的数目极少，即 使都参与漂移，反向电流 也非常小，认为PN结处于 截止状态。
图1.1.7
图1.1.3
2020/6/15
二、P型半导体
纯净硅晶体中掺入 三价元素（如硼），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供空 穴，所以称之为受主原 子。空穴为多数载流子， 自由电子为少数载流子， 简称多子和少子。
2020/6/15
图1.1.4
1.1.3 PN结 一、 PN结的形成
浓度差—扩散运动 复 合—空间电荷区 内电场—漂移运动 多子扩散=少子漂移 达到动态平衡，形成 PN结。
2020/6/15
1.1 半导体器件基础
1.1.1 本征半导体 一、半导体
导体 绝缘体 半导体：硅（Si）
锗（Ge） 二、本征半导体
的晶体结构
2020/6/15
图1.1.1
三、本征半导体中的两种载流子
载流子： 自由电子 பைடு நூலகம்穴
2020/6/15
图1.1.2
四、本征半导体中载流子的浓度 本征激发、复合、动态平衡 n i p i K 1 T 3 ／ 2 e E G ／ O 2 kT ni、pi:自由电子与空穴浓度（ cm3）； T：热力学温度； k：玻尔兹曼常数（ 8.6 31 0 5eV ／ K）； EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量； K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能 级密度有关的常量。 T=300K时，硅、 锗本征载流子浓度 分别为
ni pi 1.431010cm3,ni pi 2.381010cm3
2020/6/15
1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体
纯净硅晶体中掺入 五价元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的 位置。杂质原子提供电 子，所以称之为施主原 子。自由电子浓度大, 为多数载流子，空穴为 少数载流子，简称多子和少子。
2、最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加 的最大反向电压。
3、反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流。 4、最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。
2020/6/15
1.2.4 二极管的等效电路 在一定条件下用线性元件构成的电路来近似模拟
非线性器件二极管的特性，称为等效电路或等效模型。 一、伏安特性折线化等效电路
在空间电荷区内自 由电子和空穴都很少， 所以称为耗尽层。
2020/6/15
图1.1.5
二、PN结的单向导电性
1、外加正向电压时PN结处于导通状态
PN结处于正向偏置。外电 场将多数载流子推向空间电 荷区，使其变窄，削弱了内 电场，破坏了原来的平衡， 扩散加剧，漂移减弱。电源 作用下，扩散运动源源不断 地进行，从而形成正向电流， PN结导通。正向导通电压只 有零点几伏，所以串联电阻 以限制电流。
图1.2.2
2020/6/15
2020/6/15
二、温度对二极管特性的影响 如图虚线所示，在温度升高时，正向特性曲线将左移，
在室温附近，温度每升高1 o c，正向压降减小2～2.5mV;
温度每升高10 o c ,反向电流约增大一倍。 1.2.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流IF：二极管长期运行时允许通过 的最大正向平均电流C。o
图1.2.7 二极管的 微变等效电路 （a）动态电阻