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1、第二章,半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,物质按导电能力(电阻率)分:导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109 cm。例如:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,2.1.1 本征半导体及其导电性,(1)本征半导体的共价键
2、结构,(2)电子空穴对,(3)空穴的移动,本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,(1）本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，有四个价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图01.01。,（2）电子空穴对,当温度0K时，半导体中没有自由电子。当温度升高或受到光照时，价电子能量增高，有的可挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出
3、现了一个空位，原子呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图2.02 本征激发和复合的过程（动画2-1）,(3)空穴的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,（动画2-2）,图2.03 空穴在晶格中的移动,杂质半导体,(1)N型半导体(2)P型
4、半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,(1）N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图2.04所示。,图2.0
5、4 N型半导体结构示意图,(2)P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图2.05所示。,图2.05 P型半导体的结构示意图,图2.05 P型半导体的结构示意图,2.1.3 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次
6、相差106/cm3。,2.2 PN结,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结的电容效应,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,PN结的形成,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,图2.06 PN结的形成过程,（动画2-3）,PN结的单
7、向导电性,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,(1)PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,PN结加正向电压时如图2.07所示。,（动画2-4）,图2.07 PN结加正向电压时的导电情况,(2)PN结加反向电压
8、时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,PN结加反向电压时如图2.08所示。,图 2.08 PN结加反向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：
9、PN结具有单向导电性。,（动画2-5）,图 2.08 PN结加反向电压时的导电情况,2.2.3 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。,(1)势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图2.09。,图 2.09 势垒电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就
10、堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,(2)扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图2.10所示。,图 2.10 扩散电容示意图,当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,2.3 半导体二极管,半导体二极管的结构类型,半导体二极管的伏安特性曲线,2.3.3,半导体二极管的参数,半导体二极管的温度特性,半导体二极管的型号,2.3.6,稳压二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型,在
11、PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图2.11所示。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线,二极管伏安特性曲线如图2.12所示。第一象限:正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。,图 2.12 二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降
12、，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,(2.1),二极管的伏安特性曲线可用下式表示,(1)正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,1)0VVth时，正向电流为零，二极管截止;,正向区又分为两段：,2)VVth时，正向电流，并按指数规律增长。,(2)反向特性,当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,1)当VBRV0时，出现反向饱和电流IS,很小，且基本不随反向电压的变化而变化。,2)当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR
13、称为反向击穿电压。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿：(Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。,PN 结未损坏，断电即恢复。,PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V
14、时,则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有,2.3.3 半导体二极管的参数,几个主要参数：,(1)最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3)反向电流IR,在室温下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,(4)正向压降VF,(5)动态电阻rd,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小
15、有关，即 rd=VF/IF,(6)最高工作频率fmax,(7)结电容Cj,2.3.4 半导体二极管的温度特性,温度升高时，反向电流将呈指数规律增加.硅管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。如图2.13所示。,图 2.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,2.3.5 半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,1）理想二极管,特性,符号及等效模型,正偏导通，uD=0；反偏截
16、止，iD=0 U(BR)=,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,UD(on),uD=UD(on),0.7 V(Si),0.2 V(Ge),2）二极管的恒压降模型,Uth,斜率1/rD,rD1,Uth,3）二极管的折线近似模型,Vth=0.5V,4.小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,Uth,硅二极管，R=2 k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD=2 V 和 VDD=10 V 时 IO 和 UO 的值。,例 1,理想模型,恒压降模型,解,VDD=2 V,理想,IO=VDD/R
17、=2/2=1(mA),UO=VDD=2 V,恒压降,UO=VDD Uth=2 0.7=1.3(V),IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA),VDD=10 V,理想,IO=VDD/R=10/2=5(mA),恒压降,UO=10 0.7=9.3(V),IO=9.3/2=4.65(mA),VDD 大，采用理想模型VDD 小，采用恒压降模型,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例2：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作
18、用。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例3:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例4：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。
19、,参考点,二极管阴极电位为 8 V,判断二极管工作状态的方法？,练习 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,2.3.6 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，符号和典型应用电路如图2.14所示。,图见下页,图 2.14 稳压二极管的伏安特性,(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路,(b),(c),(a),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反
20、映稳压管的击穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率 PZM,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作 电流IZmin,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7
21、 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,稳压调节过程,二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。,2.5.2 变容二极管,光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。,2.5.3.1 光电二极管,发光二极管通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。,2.5.3.2 发光二极管,
