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1、3.1 半导体基本知识3.2 PN结的形成及特性3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管,3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,一、半导体材料,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,元素半导体：硅（Si）和锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）等。,半导体的导电能力介于导体、绝缘体之间，其导电性能还有其独特的特点。常用的半导体材料有：,导体（低价元素）半导体绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等硅、锗、镓等橡胶、惰性气体等,典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,二、半导体共价键结构（硅）,价电子分别与周围的
2、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2-1,图2-1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,1.本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体（化学成分纯净）。,三、本征半导体、空穴及其导电作用,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”。,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,束缚电子,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为
3、自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。,自由电子,空穴,这一现象称为本征激发，也称热激发。,2.电子空穴对,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,+4,+4,E,3.空穴的移动,图2-3 空穴在晶格中的移动,小结：晶体中存在着两种导电的离子（电子、空穴）,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
4、依次充填空穴来实现的。,动 画 演 示,由于热激发而产生的自由电子,自由电子移走后而留下的空穴,4.导电机理,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,载流子,空 穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,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。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。,(1)P型半导体(2)N型半导体,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
5、元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,四、杂质半导体,1.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。,硅原子,空穴,硼原子,电子空穴对,空穴,受主离子,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。,2.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素（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
6、共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚很容易形成自由电子。,磷原子,硅原子,施主离子,自由电子,电子空穴对,多余电子,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。,3.2 PN结的形成及特性,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关，与掺杂无关,多子浓度与温度无关，与掺杂有关,1.PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P 型半导体和N型半导体的结合面上形成如下物理过程:
7、,两侧载流子存在浓度差,耗尽层,PN结的形成过程动画演示,PN结,2.PN结的单向导电性,(1)加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2)加反向电压（反偏）电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,单向导电性动画演示,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现
8、低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结的单向导电性,正向特性：指数规律,击穿特性：,反向特性：反向阻断,（1）雪崩击穿,载流子获得足够的动能将共价键中的电子碰撞出来产生电子空穴对，新产生的载流子再去碰撞其他的中性原子又产生新的电子空穴对，这种碰撞电离称为雪崩击穿。,（2）齐纳击穿,空间电荷区内的场强非常高时（掺杂浓度高、阻挡层很薄、容易建立很强的场强）足以把空间电荷区内的中性原子的价电子直接从共价键中拉出来产生自由电子空穴对，这个过程产生大量的载流子使PN结的反向电流剧增呈反向击穿现象叫齐纳击穿。
9、,3 PN的反向击穿,反向击穿,热击穿 电击穿,PN结两端反向电压增加到一定数值时，反向电流突然增加，这种现象称为反向击穿,消耗功率大于耗散功率PN结损坏,反向击穿电压VBR,消耗功率小于耗散功率击穿过程可逆,反向击穿（雪崩击穿和齐纳击穿）,势垒电容,外加电压时，二极管PN结空间电荷区中的电荷量随外加电压变化而改变，这显示了电容效应，这个电容称为势垒电容（CB）,外 加 电 压,使耗尽层变宽,空间电荷量增加,相当于充电,使耗尽层变窄,空间电荷量减少,相当于放电,4.PN结的电容效应,扩散电容,在多数载流子的扩散过程中，由外加电压的改变引起扩散区内积累电荷量的变化而产生的电容效应，这个电容称为扩
10、散电容（CD）,外加正向电压,相当于充电,相当于放电,势垒电容和扩散电容的大小与外加偏置电压的大小有关，所以它们是一种非线性电容，它们都很小，对低频影响不大，但在高频应用时，必须考虑。,结构：,二极管 PN结 管壳 引线,符号：,3.3 半导体二极管,一、半导体二极管的结构,二极管常见的几种结构,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。,2.面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,3.平面型二极管,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。,常见的半导体二极管,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
11、：,1.正向特性,实验曲线,硅：0.5 V锗：0.1 V,导通压降,开启电压,2.反向特性,硅：0.7 V锗：0.3V,二、二极管的伏安（VI）特性,1.正向特性,实验曲线,硅：0.5 V锗：0.1 V,导通压降,开启电压,硅：0.7 V锗：0.3V,当0vDVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。,当vD 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当vD Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,实验曲线,2.反向特性,硅：0.5 V锗：0.1 V,导通压降,开启电压,硅：0.7 V锗：0.3V,当vD0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRvD0时，反向
12、电流(少数载流子的漂移)很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。,当vDVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。,一般地：IS（硅）IS（锗）,说明：,1.二极管与PN结伏安特性的区别,二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，正向偏置在电流相同的情况下，二极管端电压大于PN结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二极管电流小于PN结电流；另外，二极管表面存在漏电流，其反相电流增大。,2.温度对二极管伏安特性的影响,二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极管正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,1.最大整流电流IF：二极管长期
13、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：二极管反向电流急剧增加时对应的反向电 压值称为反向击穿电压VBR。,最高反向工作电压VRM：为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般为反向击穿电压VBR的一半。,3.反向电流IR：管子在未击穿时的反向电流，其值愈小，管子的 单向导电性越好。反向电流随温度升高而增加。,三、二极管的主要参数,4.极间电容Cd：极间电容是反映二极管中PN结电容效应的参数。Cd=CD+CB 在高频或开关状态下,必须考虑极间电容的影响。,5.反向恢复时间,三、二极管的主要参数,3.4 二极管基本电路及其分析方法,一、简单二极管电路的
14、图解分析方法,图解法分析的前提是已知二极管的V-I特性曲线,vD和iD,特点：正偏时，管压降为0V；反偏时，电阻无穷大，电流为0。,2.恒压降模型（iD 1mA）应用广,特点：二极管导通后，其管压降是恒定的，不随电流而变，典型 值为0.7V。,二、二极管正向V-I特性模型,1.理想模型（电源电压 管压降）,3.折线模型（恒压降模型的修正）,特点：管压降不恒定，随iD的增加而增加，模型用一个电池和一个电阻来近似。电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：,4.小信号模型（指数模型）
15、,二极管的V-I 特性表达式:,取iD对vD的微分，可得微变电导,(当T=300K时),二极管外加正向电压时，将有一直流电流，曲线上反映该电压和电流的点称为Q点（静态工作点），若在Q点的基础上外加微小的变化量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小变化的曲线，即将二极管等效为一个动态电阻rd（称二极管微变等效电路）。,二、模型分析法应用举例,理想模型：,恒压降模型：,例：电路如图所示，R10K，当VDD=10V和1V时，分别求电路的ID和VD值。分别用理想模型、恒压降模型和折线模型。,解：VDD=10V,.二极管静态工作点分析,折线模型:,VDD=1V,理想模型：,恒压降模型：,折线模型:,结论
16、：电源电压管压降时，恒压降模型能得出较合理的 结果；电源电压较小时，折线模型较为合理。,解：理想模型,恒压降模型,2.限幅电路,（2）如果vI为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：理想模型（波形如图所示）,vIVREF时，二极管正偏导通，相当于短路，vo VREF。,恒压降模型（波形如图所示）。,vIVREF+Von时，二极管正偏导通，相当于短路，vo=VREF+Von。,3.开关电路：（二极管导通：开；截止：关）,判断二极管导通还是截止的原则：先将二极管断开，然后观察或计算二极管正、负两极间是正向电压还是反向电压
17、，若正向则导通，否则截止。,例：图示开关电路，当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值 不同组合情况下，输出电压vO的值，设二极管是理想的。,4整流电路当vi为一正弦信号时，画出输出波形：,解：vi0时，D2、D4导通，D1、D3截止；vi0时，D1、D3导通，D2、D4截止；,5低电压稳压电路整流电路,6小信号工作情况分析,2.5 特殊极管,稳压二极管是工作在反向击穿区的一种特殊二极管(伏安特性如图)。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时，其两端电压近似为常数。由于稳压二极管工作在反向击穿区，故二极管一般反向接入电路。,当反偏电压VZ
18、时；反向击穿。二极管两端恒定为VZ,正向同二极管,稳定电压,一、齐纳二极管(稳压二极管),稳压二极管的主要参数,1.稳定电压 VZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。,2.稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于 Izmin 时不稳压。,3.最大耗散功率 PZM；最大工作电流 IZM（Izmax）,P ZM=VZ IZM,4.动态电阻 rZ_稳压区，端电压变化量与其电流量变化比。,rZ=VZ/IZ（几 几十）越小稳压效果越好。,5.电压温度系数稳压值受温度变化影响的的系数。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻RL600，VI=15V求限流电阻R取值范围。,稳压原理：,当输入电
19、压变化时,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,负载电阻RL600，VI=15V求限流电阻R取值范围。,解：由电路可得,二、变容二极管 二极管的结电容的大小除了与本身的结构尺寸和工艺有关外,还与外加电压有关.结电容随反向电压的增加而减少,这种效应显著的二极管称为变容二极管,三、肖特基二极管 肖特基二极管的电容效应小,工作速度快,适合高频或开关状态使用 肖特基二极管的正向导通门坎电压和正向压降都比PN结二极管低.,四 光电子器件,1.发光二极管 LED,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。应用：半导体光源。,2.光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。应用：光电检测。,作 业,3.4.5 a c3.4.6 a b,
