P1-绪论笔记

一.半导体

1.什么是半导体？

半导体是导电能力介于导体和半导体之间的材料。说它导电它不导电，说它绝缘它不绝缘。

2.本征半导体

具有晶体结构的，一种纯净的半导体.

二.本征半导体的晶体结构

想象一下扩展后的样子，就是一个晶体结构，有点像我们的东方明珠，用线把这5个点连起来就是一个正四面体的结构：

三.载流子

被共价键束缚的价电子是导不了电的，导电要靠自由电子，半导体靠什么来承载电流，它承载电流的粒子是什么？自由电子和空穴。

①载流子是怎么产生的？

如果T≠0，粒子时刻都在热运动，总会有能量高的粒子挣脱共价键的束缚，变成自由电子，且留下一个空穴。这个过程叫做本征激发。

②自由电子可以导电我们都知道，但是空穴是怎么导电的？

假设有一个电场力，由于空穴本身具有吸引力，价电子会沿着电场力的方向会从共价键里面跳出来到空穴里面，没有能量损失，这个价电子跑到前面的空穴里面，又空出一个空穴，共价键的电子会依次填补空穴，造成了空穴的相对移动。于是，空穴也能导电。

结论：所以在本征半导体里面会有两种载流子，一个是自由电子，一个是空穴。而载流子越多，导电性越好。

tips：自然界有一个规律，大自然是平衡的，有正向运动就有负向运动，有本征激发就有复合，什么是复合？

自由电子和空穴随机结合使得这一对组合湮灭了，他重新变成了一对共价键的价电子，这个过程叫复合。而本征激发，复合的速度和温度决定了载流子的浓度。

四.载流子的浓度

分析一个现象：随着温度的上升，载流子浓度也会上升，但是达到一个温度后再升高温度载流子浓度却不会变化了，它是怎么出现的？

答：这是一个动态平衡的过程，最后本征激发和复合的速度近似，导致载流子浓度不变。本征激发和温度有关，温度越高，热运动越剧烈，一开始的本征激发的速度高于本征激发才会浓度上升。我们先明确一个联系，载流子浓度和温度是有关的，温度越高，载流子浓度越高。

动态平衡的时候，再提升温度已经没有办法提高载流子浓度了，且本征激发的载流子是非常少的，电阻非常非常高，你指望它导电，这不可能，这个时候的办法可以掺杂，掺载流子进去。

P2 PN结的形成笔记

1.1.2 杂质半导体

一.概念

在本征半导体中掺入少量的杂质元素叫杂质半导体。

二.N型半导体（negative，导电的是自由电子，自由电子是带负电的，所以叫N型半导体）

1.掺入磷 5价元素

掺入这个不会改变他的晶格结构，当然如果掺杂掺的太多就不一样了。正五价的杂质原子非常容易电离出自由电子，基本上就是你掺入一个原子它就电离出一个自由电子。

自由电子是多子，空穴是少子，对于这个类型的半导体来说，加热本征激发带来的收益很小，就基本没有，因为温度升高带来电子远不如我本身的电子浓度。但是少子对于温度非常敏感，虽然多子和少子由于本征激发产生的数目是一样的，但是基数不同，所以影响不同。如果半导体里面的某一个性质是和少子挂钩的，那么它受温度的影响会很大；如果仅仅与温度相关，那它受温度的影响就比较小。

另外，对比本征半导体，N型半导体里面的少子肯定是更小了。

但是注意，他是电中性的。N型掺杂为半导体供应了自由电子这种载流子，于是我们称这种原子为施主原子。

三 .P型半导体（positive，正电）

与N型载流子对应，这次我们掺+3价的硼，多子和少子对换，其他类似。

我们费了这么多劲，半导体终于可以想导体一样导点电了，但是我们的目标不是为了干这个事情，造出P型N型半导体不是我们的最终目的。

我们把P型N型半导体放在一起，产生了一个奇迹。

1.1.3 PN结

一.PN结的形成

1.扩散运动

粒子都有一种能力：从浓度高的地方向浓度低的方向流动。

在浓度梯度的作用下的运动叫做扩散运动。

2.空间电荷区：耗尽层，阻挡层，PN结。

PN结交界面由于扩散运动两种粒子彼此由高浓度运动向低浓度，到达对方区域时被消灭，类比战争交战双方。

如果没有人阻止这个过程，那么两块半导体将会全部被消耗光。

但是，并不是这样，打完之后双方都形成了无人区，这个无人区之间有电场，载流子在其中有“力”阻止了它继续消耗完的动作。电场方向从右指向左，当自由电子移动到中间的时候会被电场拉回去，同理，空穴的移动也会被拉回去。（正电荷移动的方向就是电场的方向）

交战完之后，中间会形成空间电荷区，这里是空穴和自由电子耗尽的“耗尽层”，起阻挡层的作用，这个空间电荷区就是“PN结”。

但是扩散运动并不会一点都没有，会有能量较高的载流子越过势垒，扩散运动一直有，只不过比较小。这里的势垒（电场经过距离就会产生势垒）是对跨越耗尽层需要消耗的电势Uho的抽象，可以把它看作一个堤坝。

Q：既然有扩散运动，那么扩散运动会不会水滴石穿？总有一天双方载流子耗尽？

不会！还有漂移运动，二者动态平衡。

3.漂移层

就和有魔法一样，存在平衡，上面提出的问题依然不会发生，对于少子来说，耗尽层不是堤坝而是一个坑，会被拉向对面的区域。少子的运动被命名为漂移运动。

多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡。

4.对称结，不对称结

空间电荷区的宽度一样，因为两边掺杂浓度一样——对称结，为什么一样，掺杂浓度一样；掺杂浓度高的区域对应的空间电荷区就会窄，反之则比较宽——不对称结。

现在由于有PN结，半导体看起来似乎又不导电了。但这就是我们之前学过的所有元器件都不具备的性质，单向导电性。

二.PN结的单向导电性

外电场和内电场反向的时候会削弱内电场，而一开始增加外电场也不会有电流产生，这个范围称之为“死区”。

1.外加正向电压

外加电压每升高一点，堤坝的高度就降低一点，就和河南省的高考一本线一样，你降低一点就有一堆人，越往下，降0.5分增加的人数都相当多。

结果表现为扩散运动恢复，电流迅速增大。

图中的电阻是为了限制电流，如果不加限制，这个PN结肯定会被烧掉。加了一个电阻，这样最大的电流也不会超过U/R.

PN结正向电压就是从P到N。

2.外加反向电压

加反向电压的时候会内外电场一致了，加厚了内电场，电流没有，这个状态命名为截止。

但是并非一点电流都没有，它限制了多子的扩散运动，同时也加强了少子的漂移运动，由于是少子，所以电流少的可怜，微安级的电流，几乎可以忽略，叫做反向饱和电流，但是这个电流对温度特别敏感。

上图过于理想化，应该把微安级的反向电流也画进去的。

三.PN结的电流方程

Is是反向饱和电流，上文我们说的微安级电流就是这里的Is，反向饱和电流；

UT是一个温度当量，与温度相关，把温度转化成电压的东西，室温下是26mV(在后面计算三极管的Rbe的时候还会用到这个数值)；

U则是PN结上面加的电压。

一般来说，PN结的导通电压，Ge锗管：0.2-0.3V；Si硅管是0.6-0.7V.

U通常是几百mV，这个是上面提到的导通电压的数据，PN结的电流方程中的-1基本上可以忽略，基本上就是一个指数的关系。

P3 PN结与二极管的特性

四.PN结的伏安特性

1.正向特性

有一个死区，有一个导通电压。

2.反向特性

虽然导通电压硅管要高于锗管，但硅管的性能不一定比锗高，就比如，从反向特性来看，锗管的饱和电流Is就比硅管大的多。

3.反向击穿

反向还有一个很特别的地方，反向电压超过某一个值，电流哗哗的就上去了。

（1）雪崩击穿，雪崩式的反应都是一个链式反应，外加电场加强了内电场，且掺杂浓度较低的前提下，这时耗尽层的长度就比较长，起到了一个粒子加速器的作用，进入耗尽层的自由电子被加速，且长度足够长，场强足够强，当加速能量足够强的时候，撞击价电子，创开共价键，这个过程就发生在耗尽层，1个变两个，两个变4个，原来的自由电子带上新的自由电子再次被加速，最终PN结被击毁，但是一定要给我PN结足够的宽度，因为宽度不够，场强不够，粒子的加速就不够。

（2）齐纳击穿，上面那个发生在掺杂浓度很低的情况，齐纳击穿发生在掺杂浓度较高的情况。

掺杂浓度越高，PN结越薄，哪怕没加多少电压，但是PN结之间的场强很大，这个时候价电子直接被场强拉出来，力量足够大能克服共价键的束缚，PN结被击毁。

耗尽层厚度对内电场的的大小有什么影响？Ed=U，耗尽层越薄，E越大，电场力越大。

注意这里PN结坏了，并不是因为被反向击穿了，而是因为反向击穿引起了PN结温度升高，怎么升高？PN结电压乘以PN结电流就是PN结消耗的功率，电功率就是发热去了，功率过大，消耗不了，啪，烧毁了，PN结的晶格结构改变了，要么变导体了，要么烧坏了。

所以，反向击穿不一定会导致PN结永久损毁，只要没有发生过热，你的温度没过高，就没事，它可以收回来，一旦进入热击穿状态，死定了，也叫做二次击穿，此时它自身的温度就能够让共价键的电子不断电离出来，电离越多热量越高，形成正反馈，不可逆。

（3）这两种击穿方式与温度的关系是？

雪崩击穿和温度之间的关系是：温度越高，雪崩击穿所需要的电压越高。温度越高，晶格运动越剧烈，被加速的粒子碰到价电子的概率增大，但是，温度高，自由电子没有经过足够长距离的加速，所以需要提高电压。

齐纳击穿和温度之间的关系是：温度越高，齐纳击穿所需要的电压越低。因为温度越高，价电子越容易拉出来。

Q：为什么掺杂的时候不掺杂6价元素，不掺杂7价元素？

A：掺杂半导体，比如说N型半导体，用能带理论解释为什么更容易导电了是因为引入了施主能级，该能级到导带的禁带宽度很小，施主能级上的电子很容易被激发跃迁到导带上，提高导电性，而五价杂质恰好满足这一要求。但是六价杂质则不行，因为掺杂后，施主能级离价带非常近，离导带距离较远，不容易形成价带不满导带不空的情况，不适合用来掺杂。

（4）利用这两种击穿，我们就可以控制反向击穿电压，怎么控制？

通过控制掺杂浓度就可以控制反向击穿电压，掺杂浓度决定了是“雪崩击穿”还是“齐纳击穿”。

tips：反向击穿电压那一段，电流变化很大，但是电压变化很小，和电压源十分相似，这个特性可以做成稳压二级管，而且我们也可以利用掺杂浓度的不同来制作电压值不同的稳压二极管。

五.PN结的电容效应

耗尽层和电容很像，但是不能只是看起来像，还要验证它像。

电容反应什么？电容的物理意义是什么？

它反应的是：电量和电压/电势之间的关系。

电容引入的是：相同的电压变化范围内，电容不一样我能储存的电荷变化量不一样。具有两端电压发生变化，储存的电荷量也发生变化的特性，就是电容。

1.势垒电容

这个电容是发生在势垒里面的，叫做势垒电容。

势垒电容不是一个线性的电容，ΔQ/ΔU不是一个常数，但他确实在变，势垒之间的电荷发生了变化，可以做成可变电容。

这里加的是反向电压，正方向是反向电压，在加厚耗尽层。看负半轴。表示的是正向电压，一开始也是有一点点电容的，但是当完全正向导通的时候是没有电容的。反向电压越大电容越大，正向导通的时候电容越来越小。

2.扩撒电容（当PN结正向导通的时候）

非平衡少子和电压相关，电压越高，场强越大，我驱动的电子和空穴就更多。

耗尽层依然存在但是由于外加电场的作用它不起作用了，P区的电子N区的电子，可以通过耗尽层了。非平衡少子位于耗尽层交界面，就是耗尽层和P区，N区的交界面，为什么这么看，我不知道，你就说它符不符合电容的条件吧，肯定符合，这就完了，这是扩散电容——非平衡少子和电压之间的关系。

非平衡少子（扩散运动的多子到对方阵营被称之为非平衡少子，因为这个在我这边确实是少子）的储电量发生变化， 电压只要能引起两方电荷的变化就可以等效为电容，这个电容就是扩散电容，是由非平衡少子和电压之间的关系构成的，会发现，外加电压越高，加的是正向电压，非平衡少子浓度就越高，电荷量发生变化。

①②③指的是电压，他这个电压从最下面到最上面是逐渐升高的②>③>①，电压越大（np指的是少子电子浓度），浓度越大，它电荷量就越大。

1.2半导体二极管

1.2.1常见结构

四号（有螺丝）针对通过大电流的二极管，为了防止交流电流通过形成的磁场之间产生的电应力产生松动，还得定时检修。

（c）就是平面二极管，和后面的集成很像了。同样一块基材，我可以孵出各种各样的东西，可以造出二极管，可以造出三极管。一块基片我可以造很多器件，封装的大小一样，但是集成的器件数量更多，采用扩散工艺来造。

（d）二极管的符号，电流只能从左往右移动，从右往左就是一面墙，单向导电性。

1.2.2伏安特性

和PN结的伏安特性几乎是一样的，PN结和二极管区别在于：

PN结我们只研究电荷区，但是二极管有P区有N区，两个区都带电阻，虽然这两个电阻都比较小。这个电阻叫体电阻，相同的电压下，电流会比PN结小 。

二极管还封装有外壳，加反向电压的时候，不仅PN结上面有漂移电流，壳上面会产生泄露电流，沿着物体的表面，也很小。

PN结的伏安特性和二极管的伏安特性做一个比较：

①体电阻的存在导致相同电压下，二极管的电流略小于PN结的电流

②由于封装外壳的存在，二极管的反向电流Is比PN结大一点。

二极管的曲线左边向下一点，右边向右一点。

二.温度的影响

1.温度升高对于曲线的影响：正向特性左移，反向特性下移。 

正向曲线左移：温度高的电流比温度低的电流大，温度升高①热运动加剧，载流子浓度上升；②本征激发加剧，载流子变多。于是电流增大，相同电流的需要的电压更小，左移；

反向向下移因为是少子的影响特别明显，反向饱和电流增大；

2.温度升高定量的影响：室温每上升1℃，正向压降下降2.25mV；每上升10℃，反向饱和电流增加1倍。

三.伏安特性的应用

1.整流

利用二极管的单向导电性，我们有史以来第一次可以规定电流的方向，只有正向电流的可以过去，反过来不行，利用这个我们可以“整流”，把交流电变成直流电。

2.稳压和前置电位的作用

Uon之上电压变化很小，Si硅管工作电压是0.6-0.8V，但是它把所有的电流都控制进来了，我们如果取0.7V的话，它的误差上下不会超过0.1。

几乎可以认为正向导通的时候，二极管两端的电压是不变的，所以正向它也有一个稳压和前置电位的作用。

3.用于制作很便宜的温度传感器

反向的饱和电流也很有用，可以用这个制作很便宜的温度传感器，用于制作以二极管为温度传感器的体温计。

因为每上升10℃，反向饱和电流增加1倍；

4.稳压二极管

反向击穿那块能做稳压二极管，正向似乎也有这个特性，但我们只用反向做稳压二极管，因为正向是死的，就是0.7V，而通过PN结调节，反向电压可以变化很大。

掺杂浓度可以决定是雪崩击穿还是齐纳击穿，雪崩击穿所需要的电压更大，因为它需要场强足够强，长度足够长，用反向特性2V到11V稳压管我都可以做。

P4 二极管的直流等效电路

1.2.3二极管的主要参数

你要使用二极管你首先得知道二极管的主要参数是什么？而参数也反应了我们在使用二极管的时候想要关心的特性，我们用的时候需要注意参数，需要挑选参数：

一.最大整流电流IF

二极管长期工作时所能够通过的正向平均电流的最大值，代表着二极管能够通过的功率电流值，二极管所能承受的电流就这么大，注意不要超了不然会坏。

二.最高反向工作电压UR

反向电压有击穿电压，是一个安全标识，这个值是安全的，我们采用反向击穿电压的一半作为UR的数值。

三.IR反向电流

和反向饱和电流Is一个意思，一般是几微安到几十微安，Is越小，反向截止的特性就越好，单向导电性越好。

四.最高工作频率fM，或者上限频率

当二极管频率不断上升的时候，注意PN结中有结电容：势垒电容和扩散电容这两种，这两个电容都很小，pF级别的，频率小，容抗很大，电容相当于断路，反向依旧截止；但是当频率不断上升，容抗减小到很小的时候，电容相当于导通了，可以视为导通的容抗了，这个时候电流不通过PN结这个方式，而是在等效的结电容上来回流通，二极管的单向导电性被破坏。这个参数对与高频电路环境有用，很有用。

1.2.4二极管的等效电路

二极管是一个电阻，非线性电阻，我们可以直接用图解法来解决，画出外电路的负载线与二极管伏安特征曲线的交点，这个就是工作点，但是这个方法比较麻烦。

所以我们选择采用等效电路的办法来解决非线性电阻，即我们用其他线性元件表述出来该非线性元件，这叫做等效电路，十分便利，与精确的图计算的值是近似相等的。

一.等效电路

等效电路分两个档次：在一定条件下外特性等效，输出的电压电流关系近似于等效，有使用条件的，和方程有关，看曲线长这样，用近似的线性电路来替代；

第二个档次，更高的，是根据物理原理做出来的，根据二极管的物理原理，用其他线性元件来替代，每一部分用其他线性元件一步一步等效出来做出来的，是他的物理等效模型。这个适用性更大。我们讲的是外特性等效，是第一档那种。

二.伏安特性折线化

（a）看下面那个元件图，这是一个理想二极管，只要加正向电压立刻导通，没有死区，没有正向导通电压。它和我们上一节课讲的二极管的区别在于，它中间没有黑线，代表理想二极管。看到这个二极管的功率什么的统统都不用考虑了。

（b）第一个图舍弃的有点多，在这里，我把零点几的压降加上，把开通电压补上。这个模型我们用的是最多的。在这里伏安特性曲线被我们画成了直线，表示电阻为0.

tips：注意二极管两端的电压并不是不变的，我们只是近似的认为它不变，要知道通过二极管的电流为什么会变化，是因为二极管两端的电压变了。我们可以忽略这一点点的变化，但是要知道这个变化是存在的。

（c）在b图的基础上给PN结加了一个电阻。

以上，我们用几个元器件组合在一起描述出来二极管的单向导电性，当然这些都是在直流电路里做的的分析。

例子一：

一旦正向导通，那么U0的值就是U1+Uoh；一旦截止，电路中没电流，那么测得就是Us.

所以现在的问题是：如何判断二极管的导通和截止.

我们通过假设来做，假设二极管截止，那二极管两端的电压怎么算？

Us-U1≤Uoh→Us≤Uoh+U1，不用考虑电阻分压的影响，我们从结果入手，直接就是截止状态根据截止条件列一个方程。（数学式子Us-U1≤Uon，就是阳极和阴极的电压差。）

反之，如果U>Uoh+U1的时候，那二极管就导通了。

这是一个限幅电路，这里用了二极管两个特性：一个是单向导电性；一个是一旦导通，它两端 的电压几乎不变来限制幅值。这种限幅电路在以后的保护电路里面会经常使用，当我们电路的输入不能超过某一个值的时候就可以用限幅电路。

例子二：

方便起见我们换成理想二极管来分析：

画出来的图像，Us大于0的时候，画出来U0=Us，小于0的时候等于0，它消除了反向的波形，这个过程叫做整流。

这个直流电压源的作用，是为了能让二极管在导通之后的区域工作。

现在我们要解决的问题是在有交流信号源的情况下，通过二极管的电流如何算？

P5二极管的微变等效和稳压二极管

书接上回，我们当有交流电压参与时，我们遇到的问题是，根据二极管的伏安特性我们可以知道，在我加交流电压这一区域内，我的二极管电阻是在变化的，不像直流电源就一个电压，对应一个电阻，我电阻时时刻刻都在变化，这可咋整？

直交流混合作用，电流有一个区间，电压也有一个区间，将两个峰峰值相除得到的斜率是一个近似的电阻，而这个斜率就是只有直流电压源作用下的二极管两端电压值对应的点的斜率。

我们将二极按照理想二极管来计算的时候是不用考虑它的电阻的，只用在意它的整流作用就行，但是认真起来，准确起来就应该把电阻算上，变化的电阻没法参与计算，于是我们取了一个近似的值，就是直流电压源对应的伏安特性上的那个值，这样二极管变成一个线性二极管，可以利用欧姆定律进行计算。

rd是我们动态等效的电阻，和静态工作电流还有温度相关有关。

这一步的计算在后面计算三极管的rbe的时候会出现，那时候你就会明白为什么天降一个式子让你计算rbe，原来这个式子在这里，计算的就是动态电阻。

三.二极管的微变等效

1. 分析二极管的直流，求静态工作电流ID.
   

2. 计算动态电阻rd.

3. 将静态工作点的直流电流ID+id得到电路的输出电流。

tips：id-小写电流加小写下角标表示纯交流，iD-小写电流加大写下角标表示直交流都有.

以上，我们把二极管的正向特性该用的都用了，包括把交流加进去，小交流加进去，下面我们开始研究二极管的反向特性的使用。

1.2.5稳压二极管

一.特点：

可以工作在反向击穿下状态下，当他反向击穿的状态下，在很大的一个电流变化范围内，它的输出电压变化非常非常小，或者近似于不变，因此它能够起到一个稳定电压的功效。

只要不出现热击穿，二极管就没问题，为了放置热击穿，稳压二极管的封装就不一样，散热比较好。我就当成一个自带风扇的二极管就行。

二.稳压二极管的伏安特性

和二极管的伏安特性没有什么差别，在它的符号上面我们一般会画一个45°的撇，表示可以反向击穿。

双向稳压二极管，关于这俩个稳压二极管，两种情况：1.截止没有电流通过；2.一个导通一个反向击穿。

三.主要参数

Uz：稳定电压，稳定工作时保持的电压。

α：温度系数：代表温度每变化1°，对Uz产生的影响。

半导体材料都有受温度影响的特性，那么对于不同的管子它的α是正还是负？一般而言，可以根据稳压值判断这个管子是雪崩击穿还是齐纳击穿，比如：7V往上雪崩多，4V往下齐纳击穿多。这两个管子的稳压值受温度变化不一样，雪崩击穿是温度越高，稳压值越大，α为正；齐纳击穿是温度越高稳压值越低，α为负；

（笑死，看到一条弹幕“因为温度升高就没有雪了，雪崩就不发生了”）

Iz：临界状态快要反向击穿的电流值。稳压二极管工作时的电流一定要大于Iz这个临界区域，为什么？因为在Iz这条线以上的这个区域，电流变化很大，我电压变化也很大，这个不是我们想要的。

四.稳压二极管的应用

条件：Uz=6V，R=0.2K,RL=0.8K,计算IDZ?

1.先判断是不是截止，先按截止算，看并联电路分得的电压有没有达到截止电压~达到就是反向击穿，按截止电压算~但是你发现嘿，8V，击穿了，应该按6V算。

如果RL小了，前面的电阻R很大，分走了电压，让RL上的电压很小，达不到6V的要求，那么稳压二极管就不能起到稳压的作用，截止的话，那IDZ为0.

2.只能是反向击穿，那IDZ=IR-IL，后两个数值都可以算，得出结果就行。

这样接，稳压二极管会爆；或者稳压管坚强，电源爆了。

所以稳压二极管和二极管都必须有限流电阻R!

非常精彩的关于稳压二极管论述:

简单来说是，当电源电压增大的时候，稳压二极管通过改变自身电阻，令自身的电阻变小来减小分压。

过程是这样的：随着电源电压的增大，稳压二极管分压会增大，根据伏安特性，反向击穿的电压增大一点，电流就会增大很多，于是电路电流增大，电阻分压增大，稳压二极管分压减小。

以上就是二极管方面的课程笔记，OK，二极管方面彻底结束了。