電子線路線性部分晶體二極管1第1頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.1.1本征半導體

※物質按導電性能分類（電阻率）：1）導體：ρ<10-3Ω·cm如金屬Cu（1.57*10-8Ω·cm）2）絕緣體：ρ>109Ω·cm如橡膠（1016Ω·cm）、木頭3）半導體：ρ:10-3——109Ω·cm介于導體與絕緣體之間如Si、Ge（元素半導體：0.47Ω·cm）、砷化鎵(化合物半導體)摻雜或制成其他化合物半導體：如硼(B)、磷(P)、銦(h)和銻(Sb)等

§1.1半導體的基本知識

2第2頁，課件共63頁，創作于2023年2月※半導體的性質：半導體之所有獲得廣泛應用，不在于它的導電能力，而是由于半導體的導電能力具有在不同條件下發生很大變化的特征。（1）熱敏性……負溫度系數：如Cu：+0.4%/℃；Ge:20℃→32℃,ρ下降一半用途：熱敏電阻、熱補償電阻（2）光敏性……光照影響：光強↑，ρ↓↘。如硫化鎘薄膜電阻，暗：幾十MΩ，光照：幾十KΩ用途：光敏電阻（3）摻雜性……摻雜影響：導體：雜質↑↗，ρ↑↗半導體：雜質↑↗，ρ↓↘

3第3頁，課件共63頁，創作于2023年2月半導體的共價鍵結構：

1、原子結構：

Si（+14）

Ge（+32）

簡化模型

硅和鍺的原子結構及簡化模型4第4頁，課件共63頁，創作于2023年2月

說明：(1)整個原子呈電中性。(2)內層電子受原子核束縛大，難以脫離內層電子軌道，故把原子核連同內層電子看作一個整體——叫慣性核(3)外層電子受原子核束縛小，容易脫離原子核的束縛，成為自由電子，——叫價電子。原子的化學性質及導電性能主要由價電子決定。5第5頁，課件共63頁，創作于2023年2月2、共價鍵：

+4+4+4+4共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子6第6頁，課件共63頁，創作于2023年2月共價鍵：原子的最外層有八個電子，就形成穩定結構。共價鍵有很強的結合力束縛電子：由于共價鍵作用比較強，使價電子不能輕易脫離共有化軌道，這時的價電子稱為束縛電子。在絕對零度（T=0K）并沒有外界能量激發時，束縛電子不能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，這時純凈的半導體沒有自由電子，因此不導電。

7第7頁，課件共63頁，創作于2023年2月一、本征半導體（空穴、自由電子）定義：本征半導體是一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在T=OK和沒有外界能量激發條件下，本征半導體沒有載流子，不導電。但本征半導體與絕緣體不導電在本質上是不同的。

8第8頁，課件共63頁，創作于2023年2月二、本征激發和復合

激發：當溫度升高時，束縛電子就會獲得隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子的現象。復合：空穴和自由電子相遇而一起消失的現象。

+4+4+4+4E9第9頁，課件共63頁，創作于2023年2月當束縛電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，共價鍵中就留下一個空位，這個空位叫做空穴。空穴的出現是半導體區別于導體的一個重要特點。在外電場的作用下，空穴和自由電子一樣，都會作定向移動，使半導體導電。電荷的定向移動形成電流，而空穴和自由電子的電荷相反，運動方向就相反，而電荷性質相反，因而產生的電流方向相同。

在本征半導體內，空穴和自由電子都參與導電，都是載流子。本征半導體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。

溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強。10第10頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、熱平衡載流子濃度

在本征半導體內，本征激發產生的自由電子和空穴總是成對出現的。

激發與溫度有關，復合過程與本征半導體內載流子濃度有關，也間接與溫度有關，在某一溫度下，當激發產生的載流子與復合消失的載流子數量一樣是，激發和復合就達到平衡——動態平衡。這時，半導體中載流子濃度就穩定在某一數值。

11第11頁，課件共63頁，創作于2023年2月§

1.1.2雜質半導體

雜質半導體是指在本征半導體中摻入了微量其它元素(稱為雜質)的半導體。雜質的摻入可以使半導體的導電性能發生顯著的變化。根據摻入的雜質不同,雜質半導體可分為N型(電子)半導體和P型(空穴)半導體兩大類。

12第12頁，課件共63頁，創作于2023年2月一.N型半導體定義：在本征半導體中摻人微量的5價原子的雜質形成電子型半導體或N型半導體。5價原子的雜質會在半導體內產生多余的電子，故叫施主雜質或N型雜質。施主原子在摻雜半導體的共價鍵結構中多余一個電子。這個電子受原子核束縛較弱（如Si摻P：Eg=0.044ev），容易掙脫原子核束縛，成為自由電子，而使施主原子成為帶+1價的施主正離子。

13第13頁，課件共63頁，創作于2023年2月+4+4+5+4施主正離子多余電子多數載流子（多子）……電子少數載流子（少子）……空穴

14第14頁，課件共63頁，創作于2023年2月二、P型半導體定義：在本征半導體中摻人微量的3價原子的雜質形成空穴型半導體或P型半導體。

受主原子在摻雜半導體的共價鍵結構中缺少一個電子，從而在該位置產生一個空穴，而受主原子成為帶-1價的受主負離子。

在硅(或鍺)的晶體內摻人少量三價元素雜質，如硼、銦、鋁等稱空穴導電型半導體或P型半導體。而硼等三價元素雜質稱為受主雜質或P型雜質。15第15頁，課件共63頁，創作于2023年2月+4+4+3+4受主負離子多余空穴多數載流子（多子）……空穴少數載流子（少子）……電子

16第16頁，課件共63頁，創作于2023年2月綜上所述，在摻人雜質后，載流子的數目都有相當程度的增加。但兩種半導體仍呈中性。多數載流子（多子）的濃度取決于……雜質濃度少數載流子（少子）的濃度取決于……溫度17第17頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、多子和少子的熱平衡濃度半導體物理結果：

式中：Eg0——禁帶寬度（Ge：0.68ev，Si：1.1ev） K——玻耳茲曼常數（1.38*10-23J/K） A是常數T=300K，Si：n=p=1.5×1010個/cm3，Ge:n=p=2.4×1013個/cm3；而且隨溫度變化快。18第18頁，課件共63頁，創作于2023年2月

熱平衡狀態：

式中ni……本征載流子濃度no……自由電子熱平衡濃度值po……空穴熱平衡濃度值

電中性狀態：

19第19頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.1.3兩種導電機理……漂移和擴散漂移運動……載流子在外加電場作用下產生的運動漂移電流……漂移運動產生的電流（順著電場的方向）擴散運動……載流子在濃度差的作用下產生的運動擴散電流……擴散運動產生的電流（與電場方向相反）20第20頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1．2PN結的形成及特性

§1.2.1PN結的形成

定義：在一塊半導體的一側摻入（P型（受主）雜質，另一側摻入N型（施主）雜質，則兩者交界處將形成一個PN結。

21第21頁，課件共63頁，創作于2023年2月平衡狀態下的PN結(a)初始狀態;(b)平衡狀態;(c)電位分布22第22頁，課件共63頁，創作于2023年2月一、動態平衡下的PN結

1.阻擋層的形成P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子；N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。但雜質離子不能任意移動，因此并不參與導電。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在P區和N區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，這就是所謂的PN結。在這個區域內，多數載流子已擴散到對方并復合掉了，或者說消耗盡了，因此空間電荷區有時又稱為耗盡區。它的電阻率很高。擴散越強，空間電荷區越寬。

23第23頁，課件共63頁，創作于2023年2月

2.內建電位差在出現了空間電荷區以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區中就形成了一個電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。由于這個電場是由載流子擴散運動即由內部形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內電場（Ei），其方向是從N區指向P區的。顯然，這個內電場的方向是阻止擴散的，因為這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反。

24第24頁，課件共63頁，創作于2023年2月內電場還使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區失去的空穴，而從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少。因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄，其作用正好與擴散運動相反。多子的運動……擴散運動少子的運動……漂移運動25第25頁，課件共63頁，創作于2023年2月

擴散運動和漂移運動是互相聯系又互相矛盾的，擴散使空間電荷區加寬，電場增強，對多數載流子擴散的阻力增大，但使少數載流子的漂移增強，而漂移使空間電荷區變窄，電場減弱，又使擴散容易進行。當漂移運動達到和擴散運動相等時，便處于動態平衡狀態，形成寬度穩定的PN結。完整過程如下：“接觸”→擴散→空間電荷區厚度↗→內電場↗→擴散↘，漂移↗→擴散與漂移達到動態平衡→形成穩定的空間電荷區（PN結）

26第26頁，課件共63頁，創作于2023年2月P型半導體++++N型半導體++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－空間電荷區擴散運動漂移運動內電場Ei內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬27第27頁，課件共63頁，創作于2023年2月PN結的空間電荷區存在電場，電場的方向是從N區指向P區的，這說明N區的電位要比P區高，高出的數值用V。表示，這個電位差稱為接觸電位差，其數值一般為零點幾伏。電子要從N區到P區必須越過一個能量高坡，一般稱為勢壘，因此又把空間電荷區稱為勢壘區。Si：（0.5V～0.7V）0.7VGe：（0.2V～0.3V）0.3V28第28頁，課件共63頁，創作于2023年2月3.阻擋層的寬度：與該側的濃度成反比。根據雜質的變化特點，PN結可分成：突變結、緩變結、超變結。

29第29頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.2.2PN結的單向導電性

一、正向特性：當PN結加上如圖所示的外加電壓VF時，外加電場與PN結內電場方向相反。這時，PN結原來的平衡狀態被打破，P區中的多數載流空穴和N區中的多數載流子電子都要向PN結移動，使PN結變窄，即耗盡區厚度變薄，這時耗盡區中載流子增加；因而電阻減小，所以這個方向的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置電壓。在正向電壓作用下，PN結的電場減小，這樣P區和N區中能越過PN結的多數載流子大大增加，形成擴散電流。這時擴散運動將大于漂移運動，N區電子不斷擴散到P區，P區空穴不斷擴散到N區。PN結內的電流便由起支配地位的擴散電流所決定，在外電路上形成一個流入P區的電流，稱為正向電流IF。

30第30頁，課件共63頁，創作于2023年2月IF－－－－++++RVFP區N區Ei

EF

變薄

當外加電壓VF升高，PN結電場便進一步減弱，擴散電流隨之增加，在正常工作范圍內，PN結上外加電壓只要稍有變化(如0．1V)，便能引起電流的顯著變化，因此電流IF隨外加電壓急速上升。這樣，正向的PN結表現為一個很小的電阻。在這種情況下，由少數載流子形成的漂移電流，其方向與擴散電流相反，和正向電流比較，其數值很小，可忽略不計

31第31頁，課件共63頁，創作于2023年2月這就使得P區和N區能越過這個勢壘的多數載流子數量大大增加,形成較大的擴散電流。當然,這時還存在由少數載流子形成的漂移電流,但由熱激發產生的少子數量是十分有限的,少子漂移電流對總電流的影響可以忽略不計。當管子制成后,漂移電流大小主要取決于溫度,而幾乎與外加電壓無關。所以,當PN結加正向電壓時,通過PN結的電流主要是擴散電流,它隨著外加電壓E的增加而迅速上升,表明PN結這時呈現一個很小的電阻。這種狀態稱為PN結處于導通狀態。32第32頁，課件共63頁，創作于2023年2月當外加電壓VR的正端接N區，負端接P區，外加電場方向與PN結內電場方向相同。在這種外電場作用下，P區中的空穴和N區中山電子都將進一步離開PN結，使耗盡區厚度加寬，這時PN結處于反向偏置。

二、反向特性：外加電壓將使PN結電場增加，這樣P區和N區中的多數載流子就更難越過勢壘，因此擴散電流趨近于零。但是，由于結電場的增加，使N區和P區中的少數載流子更容易產生漂移運動，在這種情況下，PN結內的電流由起支配地位的漂移電流所決定。

33第33頁，課件共63頁，創作于2023年2月變厚IR－－－－++++RVRP區N區Ei

ER

漂移電流的方向與擴散電流相反，表現在外電路上有一個流入N區的反向電流IR，它是由少數裁流子的漂移運動形成的。由于少數載流子的濃度很小，所以IR是很微弱的，一般為微安數量級。同時，少數載流子是由本征激發產生的，當管子制成后，其數值決定于溫度，而幾乎與外加電壓VR無關。在一定溫度下，由于熱激發而產生的少數載流子的數量是一定的，電流的值趨于恒定。這時的反向電流IR就是反向飽和電流IS用表示。34第34頁，課件共63頁，創作于2023年2月由于IS很小，所以PN結在反向偏置時，呈現出一個很大的電阻，此時可認為它基本還是不導電的。但因Is受溫度的影響較大，在某些實際應用中，還必須予以考慮。死區電壓硅管0.6V,鍺管0.2VVBR導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3VUDIDIR=-IS由此看來，PN結的正向電阻很小，反向電阻很大，這就是它的單向導電性。

35第35頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、PN結的伏安（V-I）特性：根據理論分析，PN結的V-I特性可表達為:

VT=kT／q稱為溫度的電壓當量其中k為波耳茲曼常數(1．38*10-23J／K)，T為熱力學溫度，q為電子電荷(1．6*10-19C)常溫下VT＝26mVIs為反向飽和電流。對于分立器件，其典型值約在10-8～10-11A的范圍內。集成電路中的二極管PN結，其Is值則更小。36第36頁，課件共63頁，創作于2023年2月V-I特性，說明如下：(a)：VD=0，iD=0(b)：當二極管的PN結兩端加正向電壓時：當VD>>VT，Exp（VD／VT）>>1，所以，二極管的電流iD與電壓VD成指數關系。(c)：當二極管加反向電壓時：若∣VD∣＞＞VT時，指數項趨近于零，因此,iD≈-Is。可見反向飽和電流是個常數Is，不隨外加反向電壓的大小而變動；但因Is受溫度的影響。

37第37頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.2.3PN結的擊穿特性PN結的V-I特性曲線，當PN結兩端的反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然增加。這個現象就稱為PN結的反向擊穿(電擊穿)。發生擊穿所需的反向電壓VBR稱為反向擊穿電壓。PN結電擊穿從其產生原因又可分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。38第38頁，課件共63頁，創作于2023年2月一、雪崩擊穿：當PN結反向電壓增加時，空間電荷區中的電場隨著增強。通過空間電荷區的電子和空穴，在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空穴，將不斷地與晶體原子發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞，可使共價鍵中的電子激發形成自由電子—空穴對，這種現象稱為碰撞電離。新產生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產生電子—空穴對，這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增大，于是PN結就發生雪崩擊穿。

雪崩擊穿多發生在雜質濃度較低的二極管，一般需要比較高的電壓（＞6V），擊穿電壓與濃度成反比。39第39頁，課件共63頁，創作于2023年2月二、齊納擊穿：在加有較高的反向電壓下，PN結空間電荷區中存在一個強電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子—空穴對，形成較大的反向電流。發生齊納擊穿需要的電場強度約為2*105V／cm，這只有在雜質濃度特別大的PN結中才能達到，因為雜質濃度大，空間電荷區內電荷密度(即雜質離子)也大，因而空間電荷區很窄，電場強度就可能很高。一般整流二極管摻雜濃度沒有這么高，它在電擊穿中多數是雪崩擊穿造成的。

齊納擊穿多數出現在雜質濃度較高的二極管，如穩壓管(齊納二極管)。40第40頁，課件共63頁，創作于2023年2月必須指出，上述兩種電擊穿過程是可逆的，當加在穩壓管兩端的反向電壓降低后，管子仍可以恢復原來的狀態。但它有一個前提條件，就是反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現象就是熱擊穿。所以熱擊穿和電擊穿的概念是不同的。電擊穿往往可為人們所利用(如穩壓管)，而熱擊穿則是必須盡量避免的。41第41頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、溫度特性雪崩擊穿具有正的溫度系數，齊納擊穿具有負的溫度系數。四、穩壓二極管工作在反向擊穿區的二極管。最小穩定電流：IZmin……小于該電流，二極管沒有穩壓作用；最大穩定電流：IZmax……大于該電流，二極管會因發熱而燒壞。

42第42頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.2.4PN結的電容特性一、勢壘電容（CT）：由阻擋層電荷產生，類似于平板電容，與外加的反向電壓成正比。二、擴散電容（CD）：由阻擋層外的中性區電荷產生，與外加正向電壓成正比。三、PN結電容（Cj）：Cj=CT+CD

正向時，CD>>CT，Cj以CD為主；反向時，CT>>CD，Cj以CT為主。

43第43頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1．3晶體二極管電路的分析

一、數學模型（適用于工程分析）

44第44頁，課件共63頁，創作于2023年2月二、伏安特性曲線（適用于粗略估算、實驗估算）

VBRUDIDVth①

45第45頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、簡化模型（適用于大信號）正向：導通電阻為RD（線性）反向：截止理想化狀態下，RD=0，相當于一開關。

46第46頁，課件共63頁，創作于2023年2月如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內工作，例如在靜態工作點Q(即V-I特性上的一個點，此時vD=VD,iD=ID)附近工作，則可把V-I特性看成為一條直線，其斜率的倒數就是所要求的小信號模型的微變電阻rd。rj=ΔVQ/ΔIQ≈VT/IQ若考慮到PN結的串聯電阻（半導體的電阻）rS，高頻時還有考慮PN結的結電容，則小信號電路模型可表達為下圖。四．小信號模型：47第47頁，課件共63頁，創作于2023年2月48第48頁，課件共63頁，創作于2023年2月一、數學分析法：左邊：V=VDD-IR右邊：§1.3.2晶體二極管電路分析方法49第49頁，課件共63頁，創作于2023年2月二、圖解分析法：左邊：直線V=VDD-IR右邊：二極管伏安特性曲線合并左右兩邊，即可找到相應的工作點。50第50頁，課件共63頁，創作于2023年2月三、簡化分析法（圖1.3.10）：51第51頁，課件共63頁，創作于2023年2月

理想分析法（圖1.3.11）：52第52頁，課件共63頁，創作于2023年2月例題3

四、小信號分析法53第53頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1.4晶體二極管的應用

單向導電性：整流、限幅反向擊穿特性：穩壓

54第54頁，課件共63頁，創作于2023年2月§1