半导体物理基础知识ppt课件.ppt

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1、电子线路：指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。,概 述,电路组成：电子器件 + 外围电路,电子器件：二极管、三极管、场效应管、 集成电路。,外围电路：直流电源、电阻、电容、 电流源电路等。,Notation,Notation,Notation,2.1 Introduction,A diodes is a two-terminal semiconductor device. It offers a low resistance on order of m in one direction and a high resistance on order of G in other

2、direction .A diode permits an easy current flow in only one direction,2.1 Introduction,Ideal diode,2.2 Ideal Diodes,Forward biasd:,Short circuit,2.2 Ideal Diodes,Reverse biased:,Open circuit,Example 2.1,Application as a diode OR logic function :,If both inputs have 0V(logic 0)Both diodes will be off

3、 ,and the output Vcwill be 0V,if either VA,VB is high (+5V), Vc will be high (+5V).,Example 2.1,Application as a diode AND logic function :,If input VA,VB,or both is 0V,the corresponding Diode will conduct,and the output voltage will be 0V.if both input are high,both diodes will be reverse biased ,a

4、nd the output voltage will be high.,Example 2.3,Example 2.3,2.3 Transfer Characteristic of Diode Circuits,The transfer characteristic of a circuit is the relationship between the output voltage and the input voltage.,2.3 Transfer Characteristic of Diode Circuits,2.3 Transfer Characteristic of Diode

5、Circuits,2.3 Transfer Characteristic of Diode Circuits,2.4 Practical Diodes,概 述,晶体二极管结构及电路符号：,PN结正偏（P接+、N接-），D导通。,晶体二极管的主要特性：单方向导电特性,PN结反偏（N接+、P接-） ，D截止。,即,主要用途：用于整流、开关、检波电路中。,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,2.4.1 半导体物理基础知识,硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：,硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。,硅和锗共价键结构示意图：,2.4.2 本征半导体

6、,(intrinsic),共价键具有很强的结合力。 当T=0K（无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。,这种现象称,注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,本征激发。,本征激发,当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。,注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。,自由电子 带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空 穴 带正电,(Hole),自由电子（Electron),温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。,热平衡载流子浓度,热平衡

7、载流子浓度：,N型半导体：,2.4.3 杂质半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,(extrinsic),P型半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,杂质半导体中载流浓度计算,2.4.4 两种导电机理漂移和扩散,载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,漂移与漂移电流,(drift current),载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散与扩散电流,(Diffusion current),2.5 PN结,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,N型,PN

8、结,(Junction),2.5.1 动态平衡下的PN结,阻止多子扩散,利于少子漂移,PN结形成的物理过程,注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差 VB 越大，阻挡层宽度 l0 越小。,内建电位差：,阻挡层宽度：,2.5.2 PN结的伏安特性,PN结单向导电特性,I,PN结单向导电特性,IR,结论：PN结具有单方向导电特性。,PN结伏安特性方程式,PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS为反向饱和电流(leakage current)，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。n,emission coefficient.,正偏时：,反偏时：,Characterist

9、ic of Practical Diodes,PN结伏安特性曲线,温度每升高10，IS约增加一倍。,温度每升高1， VD(on)约减小2.5mV。,2.6.3 PN结的击穿特性,因为T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为T 价电子获得的能量 V(BR)。,稳压二极管,利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。,要求：Izmin Iz Izmax,2.6.4 PN结的电容特性,势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。,势垒电容CT,扩散电容CD,阻挡层外（P区和N区）贮存的非平衡电荷量,随外加电压

10、变化产生的电容效应。,PN结电容,PN结反偏时，CT CD ，则 Cj CT,PN结总电容： Cj = CT + CD,PN结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CT为主。,通常：CD 几十PF 几千PF。,通常：CT 几PF 几十PF。,2.9 Analysis of Practical Diodes Circuits,Graphical MethodApproximate MetotdIterative Method,Graphical Method,Approximate Method,Iterative Method,2.10 Mo

11、deling of Practical Diodes,Constant Drop dc Model,Piecewise Linear dc Model,Piecewise Linear dc Model,Example 2.8 (自学）,Low Frequency ac Model,Determining rd,Determining rd,Example 2.10,dc equivalentcircuit,Example 2.10,High-Frequency ac Model,2.11 Zener Diodes,Zener Limiters,Unsymmetrical limiter,Symmetrical zener limiter,