Transcript PN结的电容效应
第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 1.5 场效应管 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件 1.1 半导体基础知识 1 什么是半导体 2 半导体的导电特性 3 半导体的分类 4 PN结 1.什么是半导体(semiconductors) • 物质的导电性决定于原子结构 • 导体 • 绝缘体 • 半导体 2.半导体的导电特性 • 温度敏感 • 光照敏感 • 掺杂敏感 3.半导体的分类 半导体 本征半导体 杂质半导体 N型半导体 P型半导体 本征半导体 (intrinsic semiconductor) 价电子 立体结构图 本征半导体的原子结构 本征半导体 ( intrinsic semiconductor ) 共价键 (covalent bond) 价电子 立体结构图 Si Si SiSi Si Si 平面示意图 Si 本征半导体 ( intrinsic semiconductor ) 自由电子 本征激发 复 Si Si SiSi Si Si 合 空穴 Si 半导体导电的特殊性质 • 当半导体两端加外加电压，导体中将出现 两部分电流 电子电流 Si Si SiSi Si 空穴电流 Si Si 外电场方向 半导体导电的特殊性质 • 在半导体中，同时 存在着电子导电和 空穴导电－－半导 体导电的特殊性质 Si Si • 自由电子和空穴统 称载流子 SiSi Si • 自由电子在共价键 以外运动，空穴在 共价键以内运动 电子电流 空穴电流 Si Si 外电场方向 本征半导体中载流子的浓度 • 在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡， 当材料一定时： 本征半导体 本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由 中电子的浓度 •载流子的浓度主要取决于温度； 电子与空穴的浓度相等。 本征半导体 •温度增加使导电能力激增。 电子浓度:表示单位体积的自由电子数（n 中空穴的浓度 i） 空穴浓度:表示单位体积的空穴数 ( pi ) •且温度可人为控制 。 3 EGO (2 kT ) 2 ni pi K1T e K1 — 与材料有关的常数 T — 热力学温度，绝对温度 EGO —禁带宽度 k —玻尔兹曼常数 价带、禁带、导带 能量 自由电子 导带 禁带EGO 价带 价电子 空穴 载流子的能带图 几种不同材料的能带图 能量 能量 导带 导带 1.21 eV 禁带 价带 价带 （硅） （绝缘体） 导带 0.785 eV 禁带 0.01 eV 导带 禁带 价带 （锗） 价带 （导体） 本征半导体结论 • 本征半导体中电子空穴成对出现， 且数量少 • 半导体中有电子和空穴两种载流 子参与导电 • 本征半导体导电能力弱，并与温 度有关 杂质半导体－－ N 型半导体 Si Si P SiSi Si Si Si 在硅或锗的晶体中掺入五价元素－－磷 杂质半导体－－ N型半导体 在常温下即可 多余价电子 变为自由电子 提供一个 电子电离 为正离子 施主原子 Si Si P+ SiSi Si Si Si 在硅或锗的晶体中掺入五价元素－－磷 自由电子是多数载子，空穴是少数载流子 杂质半导体－－ P型半导体 Si B Si Si Si Si Si Si 在硅或锗的晶体中掺入三价元素－－硼 杂质半导体－－ P型半导体 空穴 接受一个 电子电离 为负离子 受主原子 空位 - Si Si B B Si Si Si Si Si 在硅或锗的晶体中掺入三价元素－－硼 空穴成为多数载流子，电子是少数载流子 三、P 型、N 型半导体的简化图示 负离子 P型 多数载流子 少数载流子 无论N型或P型半 导体都是中性的 N型 正离子 多数载流子 少数载流子 1.1.3 PN结 1 PN结的形成 2 PN结的单向导电特性 3 PN结的电流方程 4 PN结的伏安特性 5 PN结的电容效应 PN 结的形成(PN Junction)内电场越强，漂移运 少子的漂移运动 P 型半导体 内电场 动越强，漂移结果使空 间电荷区变窄 N 型半导体 － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + 浓度差 形成空间电荷区 多子的扩散运动 扩散的结果使 空间电荷区变宽 扩散和漂 移这一对相反 的运动最终达 到动态平衡， 形成PN结 二、PN 结的单向导电性 1. PN结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负 PN 结变窄 －－－ － － － + + + + + + －－－ － － － + + + + + + －－－ － － － + + + + + + P IF + – 内电场 外电场 N PN结加正向电压时，PN结处于导通状态； PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小。 2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正 － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + 内电场 外电场 P – + N 2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正 PN 结变宽 － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + － － － － － － + + + + + + 内电场 外电场 P IS – N + PN 结加反向电压时，PN结处于截止状态。 PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 二、PN 结的单向导电性 P区 N区 N区 P区 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零 三、PN 结的电流方程 i IS (e u / UT kT UT q 1) UT = 26 mV 当 T = 300K(室温27C)时 （玻尔兹曼常数 k ) 1.38 10 23 J K T (开氏温标）＝273 t( C ) 0 19 q(电子的电量） 1.6 10 C; C (库仑） 四、PN结伏安特性 i I s (e u / uT i UBR u 1) 五、 PN结的电容效应 1.势垒电容Cb 五、 PN结的电容效应 2.扩散电容Cd PN结结电容 Cj=Cb+Cd 扩散电容示意图 1.2 半导体二极管 1.2.1 结 构 类 型 和 符 号 1.2.2 伏 安 特 性 及 温 度 的 影 响 1.2.3 主 要 参 数 1.2.4 二 极 管 的 等 效 电 路 1.2.5 稳 压 二 极 管 1.2.6 其 他 类 型 二 极 管 半导体二极管图片 1.2.1 结构类型和符号 N 型锗片 阳极 引线 阴极 引线 铝合金 小球 阳极引线 PN 结 N型硅 外壳 金属丝 点接触型 阴极引线 面接触型 金锑 合金 底座 阳极 anode 集成电路中平面型 cathode 阴极 1.2.2 伏安特性 iD IS (e uD UT iD /mA 1) U (BR) IS 正向特性 uD /V 反 反向特性 O 向 IS 反向饱和电流 击 穿 UT =kT/q 温度电压当量 二极管的伏安特性曲线 UT=26 mV 室温27摄氏度 1.2.2 伏安特性 实际二极管的伏安特性 iD /mA 正向特性 U (BR) 反 向 击 穿 反向特性 O U on uD /V 1.2.2 伏安特性 温度对二极管伏安特性的影响 iD IS (e uD UT 1) 由二极管的电流方程 结论：温度会影响二极管中的电流 ① 温度电压当量就由温度决定。 ② 反向饱和电流IS也和温度有关，且其敏感性高于UT 一 般情况下，温度每升高10摄氏度，IS值增加一倍。 1.2.2 伏安特性 温度对二极管伏安特性的影响 例：硅二极管在20 0C时的反向饱和电流是0. 1pA。 求在正向偏置电压为0. 55V时的电流。 求当其他条件不变温度升高到100 0 C时的电流值。 1.2.2 伏安特性 温度对二极管伏安特性的影响 ①温度升高：正向特性曲线左移，反向特性曲线下移 ②室温附近：温度每升高1度，正向压降减小2－2.5mV 温度每升高10度，反向电流约增大一倍 1.2.3 主要参数 (1) IF——最大整流电流 (2) UR—— 最高反向工作电压 (3) IR—— 反向饱和电流 (4) fM ——最高工作频率