半导体

- 单向导电性:正向偏置时易导通,电流从阳极(P 区)流向阴极(N 区);反向偏置且未击穿时,电流极小。
本征半导体
-
半导体:导电能力介于导体和绝缘体。本征半导体:Si、Ge 单晶

-
本征激发:温度升高或受光照,产生自由电子-空穴对 两种载流子使半导体导电(可制成光敏、热敏元件)
-
复合:热运动过程中,自由电子回到空穴
-
热平衡载流子浓度 :本征激发=复合
- 随着温度 升高, 迅速增大 ()。但室温下本征导电能力依然极其微弱
杂质半导体
N 型与 P 型半导体
类型 掺杂 多子 固定杂质离子 N 型 五价元素(P、Sb) 电子 施主(donor)正离子 P 型 三价元素(B、In) 空穴 受主(acceptor)负离子
- N 型:五价杂质多出的电子易成为自由电子
- P 型:三价杂质形成空穴、易接受电子
多子、少子的热平衡浓度
以未补偿、杂质完全电离的 N 型半导体为例:
| 条件 | 公式 | 备注 |
|---|---|---|
| 热平衡 | P 型半导体同理 | |
| 电中性 |
若满足 ,公式可以简化为
- 在本征半导体中微量掺杂不同性质的元素,可大幅改变其导电性能
- 杂质补偿:在半导体中掺入相反类型的杂质,可改变半导体类型。可用于制造 PN 结。
多子与少子的温度特性
- 多子浓度:在一定温度范围内主要取决于掺杂浓度
- 少子浓度:随温度升高时少子浓度显著增加
高温情况
温度足够高时, 升高;当 时,,则杂质半导体趋近本征半导体
半导体的导电机理
| 机制 | 起因 | 方向判断 |
|---|---|---|
| 漂移 | 外加电场 | 产生的电流顺电场 |
| 扩散 | 载流子浓度不均匀 | 载流子逆浓度梯度移动 |
- :迁移率,表示单位电场下的漂移速度;一般 ,且温度或掺杂浓度升高时 降低。
- :扩散系数;一般 ,温度升高时 增大。
PN 结

- 利用杂质补偿制作(保持晶格的连续),实际为不对称结
动态平衡
阻挡层

-
阻挡层(空间电荷区、耗尽层):多子扩散后留下固定杂质离子,形成由 N 区指向 P 区的内建电场
-
内建电势差 :内建电场 产生。温度升高时, 的影响占主导, 下降。
-
阻挡层宽度 :任意一侧宽度与其掺杂元素浓度成反比(阻挡层电中性)。总宽度 ,温度升高或掺杂浓度增大,阻挡层变窄
热电压
热电压
室温 时,
伏安特性
正向与反向偏置
结电压 ,电流 以 P 区 N 区为正方向。

| 偏置 | 接法 | 电位差 | 宽度 | 主要电流 |
|---|---|---|---|---|
| 正向 | P 接正极 N 接负极 | 变窄 | 多子扩散,P N,电流大 | |
| 反向 | P 接负极 N 接正极 | 变宽 | 少子漂移,N P,电流小 |
补:阻挡层电场阻碍多子扩散,促进少子漂移
反向饱和电流
PN 结未击穿 时,反向电流的大小几乎不随反向电压变化
- 掺杂元素浓度降低 (与少子浓度反比) ,或温度升高 ( 变大) ,或二极管截面积增大(电荷更多),反向饱和电流 变大
伏安特性

PN 结的伏安特性 I
理想 PN 结在未击穿时(: 外加电压,: 热电压)
变化得,
PN 结的伏安特性 II
- 正偏时,若,,电流随外加电压指数增长
- 反偏时,,,反向饱和电流
- 导通电压
- PN 结正向导通:, 有明显数值
- PN 结截止:, 极小
工程近似:硅约 ,锗约
室温下,正向电压每增加约 ,电流增大到原来的 倍。
补:
实际的PN结中,与PN结相连的还有P区和N区的体电阻、P区和N区与金属引线的接触电阻、金属引线电阻,这些电阻总计为
击穿特性

反向击穿:反向电压达到击穿电压 时,反向电流急剧增大。
雪崩击穿
机理:载流子动能足够大,碰撞电离产生电子-空穴对,产生连锁反应
特点:低掺高压。击穿电压较高;掺杂浓度较低,阻挡层较宽时发生。
击穿电压:一般 6V 以上。掺杂浓度降低(阻挡层宽窄),或温度升高(获得动能难易),击穿电压 增大
齐纳击穿
机理:掺杂浓度较高时,阻挡层较窄,较小的电压可以产生很大的电场,从而引起场致激发(隧穿)
特点:高掺低压。击穿电压较低;掺杂浓度较高,阻挡层较窄时发生。
击穿电压:一般 6V 以下。掺杂浓度升高(阻挡层宽窄),或温度降低(激发难易),击穿电压 增大
稳压二极管

原理:反向击穿区中电流变化较大,电压接近稳定电压 。
稳压条件:(保证稳压&放置过热烧坏)
电容特性
- PN 结的阻挡层类似于电容器,交界面两侧电荷量随电压变化,呈现非线性电容
(为增量电容,根据斜率定义,只在增量电压较小时成立)
| 电容 | 电荷来源 | 条件 |
|---|---|---|
| 势垒电容 | 阻挡层宽度变化,使空间电荷量改变 | 反向偏置 |
| 扩散电容 | 正向注入使中性区存储非平衡载流子 | 正向偏置 |
反偏时,势垒电容可写为:
为变容指数,取决于结的工艺结构。反向电压的大小增大, 减小,可利用这一特性制成变容二极管。
- 正偏时,通常 ,;正向电流越大,扩散电容越大。
- 反偏时, 很小,。
开关特性

理想开关近似:正向导通等效为短路,反向截止等效为开路。
注:存在非理想特性,比如反向恢复时间等
温度特性

| 参数 | 温度升高时 |
|---|---|
| 热电压 | 增大 |
| 内建电势差 | 减小, 的影响占主导 |
| 阻挡层宽度 | 减小 |
| 反向饱和电流 | 增大,少子浓度增加 |
| 正向伏安特性 | 如图。见公式 PN 结的伏安特性 I |
| 雪崩击穿电压 | 增大,正温度系数 |
| 齐纳击穿电压 | 减小,负温度系数 |
二极管的分析方法
二极管的模型
数学模型
考虑实际二极管的串联电阻与理想因子:
或:
- :P、N 结体电阻、接触电阻及引线电阻的总和。
- :理想因子; 且忽略 时,退化为理想 PN 结公式。
注:过于复杂,不用
大信号模型
用于直流或大范围电压、电流变化的分析,将伏安曲线作折线近似。

-
导通电阻 :折线近似的导通电阻
-
分析:先假设导通或截止,代入对应模型求解,再检查结果是否符合条件——导通解需满足 ;截止解需满足
小信号模型
静态工作点 :只有直流作用时的电压、电流 (根据大信号模型计算)。叠加微小信号后:
小信号模型
注意小信号模型分析时,需要将直流源置零,只需要考虑增量部分(叠加定理,只有增量部分会输出增量)

在 点附近,用切线近似伏安曲线。增量结电阻为:
肖特基电阻 (增量结电阻)
- 低频:忽略结电容,二极管的增量电阻为 。
- 高频:需保留 ,模型为 与 串联。
小信号的范围:。
二极管电路的分析方法
- 大信号模型:直流工作点计算,大信号分析
- 小信号模型:交流小信号分析(限于微小增量电压、电流)
图解分析法


- 负载线与二极管伏安曲线的交点就是 点
- 电源叠加交流变化时,负载线平行移动,交点随之移动
- 计算中不用
等效电路分析法
直流分析

利用大信号模型,可以把二极管替换为电阻串联电压源。上述串联电路在 时:
若 ,可取 、。
交流小信号分析
先求工作点,再求增量,最后叠加。
- 直流分析:求静态工作点 ,由 求增量结电阻 。
- 交流分析:二极管等效为电阻
总响应 = 直流工作点 + 交流增量:
二极管的应用
半波整流电路

理想二极管近似:正半周导通,负半周截止,只保留正半周波形
稳压电路

基本元件: 限流电阻, 负载电阻。
限流电阻的选择
保证 ,需检查两种极端情况:
负载电阻的范围
- 确定 取值时,可以根据 、 求解
- 取最小值时, 取最大值,此时需要确保满足最小电流能够达到稳压区间
参数波动的响应
-
输入 变化 ,负载开路时,利用小信号模型等效电路分析,取分压。
-
负载 变化,输入 不变时,利用小信号模型等效电路分析,直流输入源置零,负载端等效为变化的电流源, 表示负载电流的增量。(可以根据基尔霍夫电流定律, 用 表示)
限幅电路
- 单向限幅电路: 仅有一个门限的限幅电路(一个二极管)
- 双向限幅电路: 具有上、下门限的限幅电路(两个二极管)
用于限流;忽略导通电阻的影响
普通二极管的双向限幅电路

按图中的电源极性,上、下限为:
| 输入 | 输出 | ||
|---|---|---|---|
| 截止 | 导通 | ||
| 截止 | 截止 | ||
| 导通 | 截止 |
注:非理想二极管的限幅特性会有斜率
稳压管的双向限幅

两只稳压管反向串联。限幅时,一只反向击穿,另一只正向导通:
| 输入 | 输出 | ||
|---|---|---|---|
| 正向导通 | 反向击穿 | ||
| 截止 | 截止 | ||
| 反向击穿 | 正向导通 |
钳位电路
-
钳位:将周期信号的正峰或负峰固定在某一直流电位,使波形整体平移。
-
其中 足够大;电容器充放电时间常数为
-
二极管导通时:电容快速充电,输出峰值被固定。
-
二极管截止时:电容经负载缓慢放电;若放电时间常数 ( 为信号周期),电容电压近似不变。
注:分析的关键在于电容两边的电压 与输入信号
正峰钳位

设输入正、负峰值为 ,且 。则输出整体下移 ,正峰值钳位在 上

- 大信号模型等效电源,二极管相当于一个电压源
- 结合二极管导通与截止,电容器充放电电流方向,以及 的大小,分析可得
负峰钳位

设输入正、负峰值为 ,且 。则输出整体上移 ,负峰值钳位在 上
与门、或门
其中 的取值远大于 (导通时 可忽略,可近似看作理想二极管),远小于二极管截止时呈现的电压(截止时可看作断路)
与门

- 只有三个输入端中输入信号电平最低的二极管可以导通,输入信号导通二极管对应的输入信号相等
- 可以实现与逻辑,低电平表示非
或门

做题总结
二极管导通判断
- 含二极管电路,先假设 截止,然后求 判断假设是否成立
- 对于含多个二极管的电路,可以假设 均截止,然后求 判断假设是否成立。
- 若 ,则说明 一定导通。再重新假设分析剩余的二极管
- 对于同一个节点连接多个二极管,正偏情形只需要分析最高电位支路,反偏情形只需要考虑最低电位支路。 {{链接到二极管与门、或门这一节}}
大信号模型
对于直流电路或者大信号电路,二极管可以等效为电阻串联电压源的组合

小信号模型
分析增量部分,注意直流源置零(叠加定理,只有增量部分会输出增量)

稳压电路中,反向击穿
