笔记·模拟电子技术基础——郑益慧老师

前言

郑益慧老师的讲课视频见下方,本文主要记录学习过程中对于郑老师讲课内容的笔记以及思考。

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第一章  1.1 常用半导体器件 

一、半导体基础知识

1.1 半导体概念

        半导体:导电性能界于导体与绝缘体之间。

        本征半导体:是一种纯净的半导体,具有晶体结构的半导体。

1.2本征半导体的晶体结构

        Si原子的四个价电子与相邻的Si原子的四个价电子共同组成共价键。

        这些价电子被共价键束缚,需要摆脱共价键的束缚成为自由电子,才能够导电。

本征半导体的晶体结构

1.3 载流子

        本征激发产生的自由电子、空穴称为载流子。

1.3.1    本征激发

        本征激发包含三部分内容  :热运动 、自由电子、空穴。

        热运动:若粒子所处环境不在绝对零度,会产生热运动

        自由电子:在热运动作用下,价电子可能逃跃共价键的束缚,成为自由电子

        空穴:电子脱离共价键成为自由电子后,在原来共价键位置留下一个空穴

 本征激发

1.3.2    自由电子

        在摆脱共价键的束缚后,自由电子便能够导电,但是由于数量较少,导电性能较弱

1.3.3    空穴

        价电子(共价键中的电子)在电场作用下发生移动,填补空穴,而原位置又多了一个空穴。从而,空穴的位置不断地发生相对移动,因此空穴也能够导电。

1.4 复合 → 本征激发的逆过程

        自由电子在脱离空穴后运动的过程中,可能会回到空穴。此时,空穴被填补,同时自由电子重新被共价键束缚,这一对载流子就失效了。

1.5 载流子的浓度 → 决定本征半导体的导电能力

        由于是热运动,因此随着温度的升高,本征激发的速率加快,从而导致了更多的自由电子以及空穴的出现。因此,载流子浓度也逐渐增大(导电能力增加),同时,复合的速率也随之增加。在一定温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡

1.6 杂质半导体

1.6.1 概念

        本征激发产生的载流子数量较少,无法为半导体带来较好的导电能力。而加热同样无法无限提升半导体的导电能力,因此需要通过其他方式提高其导电能力。因此利用本征半导体的可掺杂性提高其导电能力。        

        在本征半导体中惨入少量的杂质元素,通过这种办法造出载流子。

        少量:掺入少量杂质元素,不会改变晶格结构,依旧是以四价元素为主。

1.6.2 N型半导体 → negative 负电

        在Si原子中参入少量五价的磷(P),其为五价元素,外围空间存在五个电子。其中四个电子与Si原子的电子组成共价键,另外一个成为自由电子。(此时固定在晶格里的P成为带正电的磷离子,不导电

        因此,此时自由电子的浓度极高(甚至上百万倍),称为多子(主要导电载流子);空穴,则称为少子

        (1)多子:受温度影响极小,因此多子数量极多;

        (2)少子:受温度影响极大。

        (3)施主原子:磷为半导体供应的载流子,自身带正电。

        因此,在N型半导体中,多子由掺杂浓度决定,温度影响小;少子由本征激发决定,温度影响大。

        在半导体中,与少子相关的特性,受温度影响较大。

 N型半导体 

 1.6.3 P型半导体 → positive 正电

        在Si原子中参入少量三价的硼,其为三价元素,外围空间存在三个电子。三个电子与Si的外围电子组合成为共价键,Si剩余的一个共价键作为空穴存在。

        其中,空穴为多子,自由电子为少子。

  P型半导体 

1.6.4 为什么不参加6价元素?

        在单晶硅里,如果掺杂的是5价元素外围有5个电子,4个成键就剩1个电子不成键,所以那个成不了键的孤独的电子会比较愿意跑出去,用术语说就是电离能量比较低,所以容易5价元素掺杂容易是导带附近的浅能级。6价元素的话4个成键,剩下2个电子或许还能搭个伴,成双对的电子不那么愿意跑出去,术语说就是电离能量相对较高,一般是导带附近的深能级。

1.7 PN结

1.7.1 扩散运动

        粒子总是从浓度高的位置向浓度低的方向运动。

        当P型与N型放一起时,P型中空穴不断朝低浓度N区移动,N型自由电子向P区移动,在中间相遇,互相结合形成中间电荷区。磷正价离子与硼负价离子形成一个电场,阻碍碰撞的继续。 

 PN结的形成 

         其中,空间电荷区又称为:耗尽层、阻挡层以及PN结

1.7.2 势垒

(1)扩散运动

        自由电子与空穴的扩散运动仍然在进行,但是由于势垒的存在,大部分无法越过势垒进入高浓度区域,但是也会有少部分能够翻过势垒。

        当没有逆向运动时,只要时间足够,扩散运动必定持续进行。

(2)漂移运动

        在电场力的作用下,P区少子(自由电子)能够很快地进入N区。

        N区的少子(空穴)也受电场力影响。

 势垒 

1.8 对称结

        当P区、N区掺杂浓度相同时,PN结中正离子区和负离子区的宽度也一样。

1.9 不对称结

        当P区、N区掺杂浓度不同时,浓度高的一边PN结宽度变窄。

        因为浓度高向浓度低扩散,浓度越高,扩散地越多,对面的PN结也就越宽。

二、 PN结的单向导电性

2.1 加正向电压

        最开始只发现了正电荷,因此规定电流移动的方向为正电荷移动的方向。而实际上造成金属导体中的电流是由于负电荷(自由电子)的定向移动(电流的反方向)。

        电场方向与电流方向、电压方向都相同。电场方向总是从正极指向负极。

        外电场削弱了内电场的作用,导致势垒极大下降,扩散运动重新得以恢复,电流迅速增大。因此,在电路中加一个R电阻,起限流作用。

        PN结:因此正向电压为P指向N

 PN结加正向电压时导通

2.2 加反向电压

        PN结加反向电压时,外电场与内电场方向相同,势垒不断加高,扩散运动被阻碍,此时PN结为截止状态。

        此时,漂移运动被加强,但漂移运动为少子的运动,电流极小可以忽略不计。同时,由于其主要受少子影响,因此温度对其的影响极大。

  PN结加反向电压时截止

三、 PN结的伏安特性

3.1 PN结的伏安曲线

        基于此,能够得到PN结的伏安特性曲线,反向电压时电流较小,当反向电压过大时PN结被击穿,因此出现骤升的电流。正向电压较小时,电流也较小,随着电压的逐渐升高,电流呈指数上升。

 PN结的伏安特性曲线

3.2 PN结的电流方程

        电流方程为一个指数方程,

i=I_{s}*\left ( e^{\frac{U}{U_{t}}} - 1\right )

其中,Ut是一个温度相关的量,将温度转为电压,当温度为室温时,其值为26mV。U为PN结的电压。Si做基材的PN结,在U为0.6~0.7V时,PN结导通。Is为反向饱和电流。

3.3 PN结的正向特性

        存在死区,死区的大小由基材决定。Si做基材时,死区为0.6V~0.7V。Ge做基材时,死区为0.2V~0.3V。

3.4 PN结的反向特性

        反向电流Is,Ge做基材时,反向电流大于Si做基材时的反向电流。

        反向击穿,当反向电压到达一定幅值,即反向击穿PN结,使得电流急剧上升。

        (1)雪崩击穿

         PN结掺杂浓度低时,PN结宽度在外加电场作用加不断加长,形成一个类似于粒子加速器的区域,自动电子撞击共价键,使得更多自由电子的出现。

        温度越高,雪崩击穿需要的电压越高。

        (2)齐纳击穿

        PN结掺杂浓度高时,宽度虽然不大,但是电场强度较大,直接从共价键中将价电子拉出。

         温度越高,齐纳击穿需要的电压越低。(温度越高,价电子越容易拉出来)

        反向击穿后,PN结电流导致了其温度升高,导致PN结烧毁。当反向击穿时温度不高,并马上恢复正常状态时,PN结还能使用。

3.5 掺杂浓度与反向击穿电压的影响

        掺杂浓度越低,反向击穿电压越高;掺杂浓度越高,反向击穿电压越低。通过不同掺杂浓度,控制器反向击穿电压。

四、PN结的电容效应

4.1 电容

        电容反应电量与电压的关系,当两端的电压发生变化时,其电荷量也发生变化。

        在相同的电压范围内,电容值的不同,代表着,电容能够储存的电荷量不同。

4.2 势垒电容 (反向电压)

        势垒电容不是线性的,随着反向电压的增加,其P区N区的电荷量逐渐增大,与电容的概念相同。

  PN结的势垒电容

4.3 扩散电容 (正向电压)

        当施加的正向电压发生变化时,其两端的电荷量也会随之发生改变,这种性质称为电容。由非平衡少子和电压之间的关系构成的。

        如图所示,2为在1的基础上增大电压,P区少子 浓度增大,3为在1的基础上减小电压,P区少子浓度减小。因此在电压升高时,电荷量增大,电压降低时,电荷量减少。这就是扩散电容。

   P区的少子浓度分布曲线

第一章  1.2 半导体二极管

一、二极管的伏安特性

1.1 体电阻

        由于体电阻的存在,在相同的电压下,电流比PN结小,因为电阻变大。

1.2 反向电流        

        在接反向电压时,不仅PN结上的电阻存在漂移电流,其外壳也存在表面的泄露电流,但同样,泄露电流的大小还是非常小的。但也比PN结更大。

1.3 温度影响

        当温度升高时,正向电流曲线向左移动(死区变小),反向电流曲线向下移动(漂移电流增大)。

        温度升高时,粒子的热运动会加剧,本征激发增多。在相同电压下,温度高的电流比温度低的电流要更大。反向下移,是由于温度升高,少子的影响更为明显。

        在室温前提下,每升高1摄氏度,正向压降减小2~2.5mV。每升高10摄氏度,反向电流增大一倍。

 二极管的伏安特性曲线

二、二极管的主要参数

2.1  I_{F} 最大整流电流

        二极管最大的整流电流,二极管能够长期正常工作时,能够正向通过的平均电流的最大值。

        即,代表着二极管能够正常工作时,能通过的功率电流值

2.2 U_{R} 最高反向工作电压

        反向电压使得二极管截止,但加到一定程度后,将出现反向击穿现象。

        UR不能等于反向击穿电压UBR,应当存在一定的余量,一般为66%。

2.3 I_{R} 反向电流

        也就是上述所说的Is,漂移电流。其值越小,证明其反向截止特性越好。

2.4 f_{M} 最高工作频率

        也就是上限频率。PN结上存在结电容,虽然容值极小,为pF级别。当频率较小时,其容抗较大,相当于断路,反向截止效果仍存在。

        但是,随着频率的上升,容抗不断下降,削弱了反向截止效果,直至近似于导通。

        即,高频电路中,二极管容易短路。

三、二极管的等效电路

3.1 二极管的阻值

        根据二极管的伏安特性曲线,可以明显看出其阻值为非线性的。

        在实际的使用中,更偏向于采用等效电路,用线性元件替代非线性元件。

3.2 伏安特性折线化

        (a)图为理想二极管的等效电路图。舍弃了零点几伏的死区压降。

        (b)图采用开关电压,补偿死区压降。 导通后,压降几乎保持不变,上下误差在0.1V左右。该近似等效电路在实际中使用最多,忽略压降较小的误差。

        (c) 图较为接近真实情况,但实际使用较少。

二极管等效电路

 3.3 限幅电路

         在二极管导通后,其电压稳定在导通电压附近,因此将正弦信号截顶。

        采用了两个特性:(1)单向导电性 (2)二极管导通后,其电压变化极小。

限幅电路

3.4 整流电路

        在这里采用了理想二极管,因此所有电压都加至R两端,反向截止,因此反向电压为0。

整流电路

 3.5 直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路

        直流电压源将整个电路推至二极管导通状态下工作。交流源电压幅值较小。

直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路

 

 

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