第1章_半导体基础及二极管电路14-09-21

1、第一章：第一章：半导体基础及二极管半导体基础及二极管 电路电路 邓邓 钢钢 内容提要内容提要 半导体材料的基本物理特性半导体材料的基本物理特性 PNPN结结( (半导体二极管半导体二极管) )的结构及的结构及 工作特性工作特性 二极管基本应用电路及其分析二极管基本应用电路及其分析 方法方法 物质的分类物质的分类 导体：导体：如金、银、铜、铝如金、银、铜、铝 等等 绝缘体：绝缘体：如陶瓷、云母、塑如陶瓷、云母、塑 料等料等 半导体：如半导体：如硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及 砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等 按照导电按照导电 能力（电能力（电 阻率）的阻率）的 差别，可差别，可 以将物质以

2、将物质 分为：分为： 半导体的独特性质：电阻率可因某些半导体的独特性质：电阻率可因某些 外界因素的改变而明显变化外界因素的改变而明显变化 掺杂特性掺杂特性 热敏特性热敏特性 光敏特性光敏特性 注意：决定物质导注意：决定物质导 电性能的因素？电性能的因素？ 本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构( (一一) ) 价电子价电子 SiSi 硅原子硅原子 GeGe 锗原子锗原子 +4 价电子价电子 惯性核惯性核 原子排列整齐、晶格无缺陷、纯净的原子排列整齐、晶格无缺陷、纯净的 半导体，被称为半导体，被称为本征半导体本征半导体 本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构( (二二) )

3、在硅和锗晶体中，每个在硅和锗晶体中，每个 原子与其相邻的原子之原子与其相邻的原子之 间形成间形成共价键共价键，共用一，共用一 对价电子：对价电子： +4+4+4+4 +4+4+4+4 晶体中的共价键结构晶体中的共价键结构 价电子价电子 共价键共价键 惯性核惯性核 晶格：原子在空晶格：原子在空 间排列成具有周间排列成具有周 期性和对称性的期性和对称性的 点阵点阵 可认为惯性核在可认为惯性核在 晶体中固定不动晶体中固定不动 本征激发及空穴的移动本征激发及空穴的移动 +4+4+4+4 +4+4+4+4 当温度很低，没有激发时，当温度很低，没有激发时， 半导体不能导电，被认为半导体不能导电，被认为 是

4、绝缘体是绝缘体 当温度逐渐升高或有足够当温度逐渐升高或有足够 光照时，将有少数价电子光照时，将有少数价电子 获得足够能量，可以克服获得足够能量，可以克服 共价键的束缚而成为共价键的束缚而成为自由自由 电子电子，使得本征半导体具，使得本征半导体具 有了微弱的导电能力有了微弱的导电能力 产生自由电子后，在原有产生自由电子后，在原有 的共价键中形成的共价键中形成空穴空穴 +4+4+4+4 +4+4+4+4 自由电子自由电子空穴空穴 带正电带正电带负电带负电 可以依靠相邻共价键中的可以依靠相邻共价键中的 价电子依次填充空穴来实价电子依次填充空穴来实 现空穴的移动现空穴的移动 载流子的含义载流子的含义

5、自由电子与空穴均可视为自由电子与空穴均可视为 载流子载流子，但所携带，但所携带电荷的电荷的 极性不同极性不同 在在本征半导体本征半导体中，自由电中，自由电 子与空穴总是子与空穴总是成对出现成对出现， 成为电子成为电子- -空穴对空穴对, ,从而从而两两 种载流子的浓度相等种载流子的浓度相等 +4+4+4+4 +4+4+4+4 自由电子自由电子空穴空穴 载流子：运载电荷的粒子载流子：运载电荷的粒子 电子浓度：电子浓度： i n 空穴浓度：空穴浓度： i p ii pn 电子与空穴的复合及动态电子与空穴的复合及动态 平衡平衡 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某种特定的杂质在本征半导体中掺入

6、某种特定的杂质 （掺杂掺杂），成为杂质半导体后，可以），成为杂质半导体后，可以 使其导电性能发生使其导电性能发生质的变化质的变化 根据所掺元素的不同，又可将掺杂后根据所掺元素的不同，又可将掺杂后 的半导体分为的半导体分为N N型型半导体（掺入半导体（掺入5 5价元价元 素）和素）和P P型型半导体（掺入半导体（掺入3 3价元素）价元素） 增加载流子的数量增加载流子的数量 提高导电率提高导电率 注意：掺杂时应保证不破坏原有的晶注意：掺杂时应保证不破坏原有的晶 格结构格结构 N N型半导体及其性质型半导体及其性质 +4+4+5+5 +4+4+4+4 自由电子自由电子 施主杂质施主杂质 对于对于N

7、N型半导体型半导体 来说，其中的电来说，其中的电 子浓度大大高于子浓度大大高于 空穴的浓度，又空穴的浓度，又 被称为被称为电子型半电子型半 导体导体。其中的。其中的5 5 价杂质被称为价杂质被称为施施 主杂质主杂质 N N型半导体中型半导体中: : 电子为多数载流子（电子为多数载流子（多子多子），主要由），主要由 杂质原子提供杂质原子提供 空穴为少数载流子（空穴为少数载流子（少子少子），主要由），主要由 热激发产生热激发产生 + N型半导体表型半导体表 示示 不能导电不能导电 P P型半导体及其性质型半导体及其性质 +4+4+3+3 +4+4+4+4 空位空位 受主杂质受主杂质 对于对于P P

8、型半导体型半导体 来说，其中的空来说，其中的空 穴浓度大大高于穴浓度大大高于 电子的浓度，又电子的浓度，又 被称为被称为空穴型半空穴型半 导体导体。其中的。其中的3 3 价杂质被称为价杂质被称为受受 主杂质主杂质 P P型半导体中型半导体中: : 空穴为多数载流子空穴为多数载流子 电子为少数载流子电子为少数载流子 多子多子少子少子 N N型半导体型半导体电子电子空穴空穴 P P型半导体型半导体空穴空穴电子电子 P型半导体表型半导体表 示示 不能导电不能导电 杂质半导体的性质杂质半导体的性质 在杂质半导体中：在杂质半导体中： + + + + + + - - - - - - N N型半导体的型半导

9、体的 简化表示法简化表示法 P P型半导体的型半导体的 简化表示法简化表示法 存在着自由电子、空穴和杂质离子三种存在着自由电子、空穴和杂质离子三种 带电粒子，但仍然是带电粒子，但仍然是两种载流子两种载流子 仍然呈现出电中性仍然呈现出电中性 多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度 少子的浓度主要取决于温度少子的浓度主要取决于温度( (本征激发本征激发) ) PNPN结结( (二极管二极管) )的的结构结构 在半导体单晶的一在半导体单晶的一 边掺入施主杂质，边掺入施主杂质， 制成制成N N型型半导体；半导体； 在另一边掺入受主在另一边掺入受主 杂质，制成杂质，制成P

10、P型型半半 导体。在两种杂质导体。在两种杂质 半导体的半导体的交界面交界面处处 即形成即形成PNPN结结 + + + + + + - - - - - - 在在PNPN结的外面装结的外面装 上管壳，再引出上管壳，再引出 两个电极，就构两个电极，就构 成二极管成二极管 空间电荷区空间电荷区 耗尽层耗尽层 阻挡层阻挡层 高阻区高阻区 二极管的结构与类型二极管的结构与类型 (1) D T v V DS iIe T kT V q ：温度电压当量。：温度电压当量。 当在室温条件下当在室温条件下 T=300KT=300K时，约为时，约为 26mV26mV D v：外接电压：外接电压 S I ：反向饱和电流：

11、反向饱和电流 二极管的电流方程二极管的电流方程 若为正偏且若为正偏且 ，则有，则有 DT vV / DT vV DS iI e 若为反偏且若为反偏且 ，则有，则有 DT vV DS iI 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 正向工作正向工作 区：区： th V阈值电压阈值电压 0.6 0.7 , 0.2 0.3 , th V V V 硅材料 锗材料 反向工作反向工作 区区 反向击穿反向击穿 区区 ()BR V 反向击穿电反向击穿电 压压 PNPN结结( (二极管二极管) )的单向导电性的单向导电性 PNPN结正向导通时，呈现低的正向结正向导通时，呈现低的正向 电阻，具有较大的正向电流，且正电阻，

12、具有较大的正向电流，且正 向电流随正向电压的大小急剧改变向电流随正向电压的大小急剧改变 即可以认为二极管正向导通，反向即可以认为二极管正向导通，反向 截止截止 PNPN结反偏时，呈现高的反向电阻，结反偏时，呈现高的反向电阻， 具有很小的反向电流，且反向电流具有很小的反向电流，且反向电流 基本不随反向电压的大小变化基本不随反向电压的大小变化 二极管的反向击穿特性二极管的反向击穿特性 ()BR V ：反向：反向 击穿电击穿电 压压 击穿击穿 电击穿电击穿( (可逆可逆) ) 热击穿热击穿( (不可逆不可逆) ) 齐纳击穿：掺杂高，齐纳击穿：掺杂高， 击穿电压小于击穿电压小于6V6V 雪崩击穿：掺杂

13、低，雪崩击穿：掺杂低， 击穿电压大于击穿电压大于6V6V 二极管的温度特性二极管的温度特性 温度升高时，反向电流温度升高时，反向电流 增大增大 工程上可近似认为温度工程上可近似认为温度 每增加每增加1010摄氏度，摄氏度， 约约 增大一倍增大一倍 S I 温度升高时，正向伏安温度升高时，正向伏安 特性左移特性左移 工程上可近似认为电流工程上可近似认为电流 保持不变时，温度每增保持不变时，温度每增 加加1 1摄氏度，二极管压摄氏度，二极管压 降约减小降约减小2.5mV (1) D T v V DS iIe 二极管的二极管的电容电容效应效应 二极管电容是一种二极管电容是一种 等效效应：等效效应：

14、势垒电容势垒电容 T C 扩散电容扩散电容 D C 均为非线性电容均为非线性电容 DTj CCC 正偏时以扩散电正偏时以扩散电 容为主容为主 PNPN结的电容效应将结的电容效应将影响影响晶体管的响应晶体管的响应 速度和高频特性速度和高频特性 反偏时以势垒电反偏时以势垒电 容为主容为主 二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 F I 最高反向工作电压最高反向工作电压 R V 二极管长期连续工作时，允许通过二极二极管长期连续工作时，允许通过二极 管的最大正向平均电流管的最大正向平均电流 二极管工作时允许外加的最大反向电压二极管工作时允许外加的最大反向电压 反向电流反向电流 R

15、I 二极管未击穿时的反向电流二极管未击穿时的反向电流 最高工作频率最高工作频率 M f 二极管的上限工作频率二极管的上限工作频率 使用二极管参数时的注意事项：温使用二极管参数时的注意事项：温 度的影响、参数的分散性度的影响、参数的分散性 特殊二极管：稳压二极管特殊二极管：稳压二极管 正常情况下，正常情况下， 工作于反向击工作于反向击 穿区。反向电穿区。反向电 流在很大范围流在很大范围 内变化时，端内变化时，端 电压变化很小，电压变化很小， 从而具有稳压从而具有稳压 作用作用 反向击穿电压反向击穿电压 最小允最小允 许电流许电流 最大允最大允 许电流许电流 Z Z Z V r I 动态电动态电

16、阻：阻： 稳压管在使用时应串接稳压管在使用时应串接 限流电阻以保证反向电限流电阻以保证反向电 流值在合适范围内流值在合适范围内 特殊二极管：其它类型特殊二极管：其它类型 变容二极管：应用在反变容二极管：应用在反 向偏置状态向偏置状态 肖特基二极管肖特基二极管 光电子器件：光电子器件： 发光二极管发光二极管 光电二极管光电二极管 激光二极管激光二极管 二极管的等效电阻：静态电阻二极管的等效电阻：静态电阻 由二极管、线性元件和独立电源构成由二极管、线性元件和独立电源构成 的电路称为二极管电路，属于的电路称为二极管电路，属于非线性非线性 电路电路 当电路中只有直流电当电路中只有直流电 源、没有信号源

17、时，源、没有信号源时， 二极管对外呈现的直二极管对外呈现的直 流电阻称为流电阻称为静态静态电阻电阻 DQ D DQ V R I 当管子的工作电流和当管子的工作电流和 电压都确定后就在特电压都确定后就在特 性曲线上确定了性曲线上确定了静态静态 ( (直流直流) )工作点工作点Q Q 二极管的等效电阻：动态电阻二极管的等效电阻：动态电阻 动态电阻：微变电阻动态电阻：微变电阻 或交流电阻。表示或交流电阻。表示小小 信号信号工作情况下，工作情况下，交交 流流电流与电流与交流交流电压的电压的 变化关系变化关系 DD d DD QQ dvV r diI T D DQ V r I 温度的电温度的电 压当量压

18、当量 工作点电工作点电 流流 26 300 () D Q TKr mV ImA 二极管的模型二极管的模型 数学模型数学模型 (1) D T v V DS iIe 理想化模型理想化模型 恒压降模型恒压降模型 分段线性模型分段线性模型 交流小信号模型交流小信号模型 采用模型法分析二极管应用电路采用模型法分析二极管应用电路 根据电路的具体情况根据电路的具体情况选选择合适的二极管择合适的二极管 模型模型，从而把非线性电路转，从而把非线性电路转化化为为线性线性电路电路 并采用线性电路的分析方法进行分析计算并采用线性电路的分析方法进行分析计算 对于直流电路和大信号工作电路，通常对于直流电路和大信号工作电路

19、，通常 采用理想模型或者恒压降模型进行分析采用理想模型或者恒压降模型进行分析 对于既有直流电源又有小信号源的电路，对于既有直流电源又有小信号源的电路， 一般首一般首先先利用恒压降模型进行利用恒压降模型进行静态静态分析，分析， 估估算算电路的电路的Q Q点点；然后根据；然后根据Q Q点计算出交流点计算出交流 电阻；电阻；再再用小信号模型法进行用小信号模型法进行动态动态分析，分析， 求求出小信号作用下的交流电压、电流；最出小信号作用下的交流电压、电流；最 后，将交流量与静态值相叠加，得到完整后，将交流量与静态值相叠加，得到完整 的的结果结果 例题例题 下图中，下图中， ，二极管导通电压，二极管导通

20、电压 V Von on=0.7V =0.7V，信号电压，信号电压 ，求输出电压，求输出电压 的值并画出其波形的值并画出其波形 5 ,4.3 DD VV Rk 0.6sin s vtV O v 1,4.3 DQO ImA VV /26 dTDQ rVI ( )0.596sin o v ttV ( )4.30.596sin OOo vtVvtV 二极管电路的工作状态解法二极管电路的工作状态解法 例：设图中二极管 性能理想，试判断 电路中的各二极管 是导通还是截止， 并求出A、O两点间 的电压VAO值 通过通过比较比较二极管两个电极的二极管两个电极的电位高低电位高低来来 确定其工作状态确定其工作状态

21、 可采用假设法（假定二极管截止）来进可采用假设法（假定二极管截止）来进 行推导行推导 二极管模拟电路：整流电路二极管模拟电路：整流电路( (一一) ) 利用电子器件的单向导电性将交流电利用电子器件的单向导电性将交流电 变为直流电的过程称为变为直流电的过程称为整流整流 最简单的最简单的半波半波整流电路及其工作波形整流电路及其工作波形 可用滤波可用滤波 器滤除输器滤除输 出电压的出电压的 交流成分，交流成分， 获得直流获得直流 电压电压 ( ),( )0) ( ) 0, L ss LSO R v t if v t RRvt otherwise 二极管模拟电路：整流电路二极管模拟电路：整流电路( (

22、二二) ) 全波全波整流电路及其工作波形整流电路及其工作波形 二极管模拟电路：稳压电路二极管模拟电路：稳压电路 R R为限流电阻，其阻值的为限流电阻，其阻值的 选择应使稳压二极管工选择应使稳压二极管工 作在稳压区作在稳压区 这种电路稳压工作的原这种电路稳压工作的原 因在于当稳定电流因在于当稳定电流 有有 较大幅度的变化较大幅度的变化 时，时， 稳定电压的变化稳定电压的变化 却很却很 小小 Z I Z I Z V 故当故当 或或 变化时，电变化时，电 路能自动地调整路能自动地调整 的大的大 小，以改变小，以改变 上的压降上的压降 ，达到维持输出电，达到维持输出电 压压 基本恒定的目的基本恒定的目

23、的 S V L R Z I R R I R O V 具体稳压过程及具体稳压过程及 计算方法请自行计算方法请自行 参看课本参看课本 二极管模拟电路：限幅电路二极管模拟电路：限幅电路( (一一) ) 按照规定的范围，将输入信号波形的按照规定的范围，将输入信号波形的 一部分传送到输出端、而将其余部分一部分传送到输出端、而将其余部分 消去的过程称为限幅消去的过程称为限幅 一般利用器件的开关特性实现限幅一般利用器件的开关特性实现限幅 限幅器应能够鉴别信号的幅度，其传限幅器应能够鉴别信号的幅度，其传 输特性必须具有线性区和限幅区输特性必须具有线性区和限幅区 IL V：下门限：下门限 IH V：上门限：上门

24、限 具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅具有上、下门限的限幅电路称为双向限幅 电路，仅有一个门限的称为单向限幅电路。电路，仅有一个门限的称为单向限幅电路。 其中，仅有上门限的称为上限幅电路，仅其中，仅有上门限的称为上限幅电路，仅 有下门限的称为下限幅电路有下门限的称为下限幅电路 二极管模拟电路：限幅电路二极管模拟电路：限幅电路( (二二) ) ，二极管，二极管 导通，导通， OS vv () S if vV () S if vV ，二极管，二极管 截止，截止， O vV 以上两图为上限以上两图为上限 幅电路幅电路 若改变二极管方若改变二极管方 向则可得下限幅向则可得下限幅 电路电路 二极管模拟

25、电路：限幅电路二极管模拟电路：限幅电路( (三三) ) 双向限幅电路双向限幅电路 二极管模拟电路：钳位电路二极管模拟电路：钳位电路 将周期信号波形的某一部分固定在一将周期信号波形的某一部分固定在一 个选定的电位上，而信号其余部分波个选定的电位上，而信号其余部分波 形形状保持不变。即使整个信号电压形形状保持不变。即使整个信号电压 直流平移，平移程度取决于电路直流平移，平移程度取决于电路 主要原理：二极管主要原理：二极管 导通与截止时的电导通与截止时的电 阻不同，从而电路阻不同，从而电路 的充放电时间常数的充放电时间常数 不同，即不同，即“快充慢快充慢 放放” 当输入当输入 为方波为方波 呢？呢？

26、 二极管开关电路二极管开关电路( (一一) ) 二极管与门二极管与门 当输入电压中只要当输入电压中只要 有一个为低电平，有一个为低电平， 则输出为低电平；则输出为低电平； 只有当所有输入电只有当所有输入电 压均为高电平时，压均为高电平时， 输出才为高电平输出才为高电平 二极管开关电路二极管开关电路( (二二) ) 二极管或门二极管或门 当输入电压中只要当输入电压中只要 有一个为高电平，有一个为高电平， 则输出为高电平；则输出为高电平； 只有当所有输入电只有当所有输入电 压均为低电平时，压均为低电平时， 输出才为低电平输出才为低电平 影响本征半导体中载流子浓度的因素影响本征半导体中载流子浓度的因

27、素 半导体材料半导体材料 本身的性质本身的性质 随着随着温度温度的的 升高基本上升高基本上 按照指数规按照指数规 律增加律增加 本征半导体本征半导体 的导电能力的导电能力 很差，原因很差，原因 在于本征激在于本征激 发的载流子发的载流子 数目过少数目过少 3 22 g E kT i nBT e 载流子在半导体中的运动载流子在半导体中的运动 当无外加电场作用时，半导体中的载当无外加电场作用时，半导体中的载 流子做不规则热运动，对外不呈现电流子做不规则热运动，对外不呈现电 流流 在在外加外加或或内建内建电场作用下，载流子将电场作用下，载流子将 有定向的有定向的“漂移运动漂移运动”并产生并产生漂移电

28、漂移电 流流 当载流子浓度分布不均匀时，将从高当载流子浓度分布不均匀时，将从高 浓度区域向低浓度区域做定向运动，浓度区域向低浓度区域做定向运动， 即即“扩散运动扩散运动”，同时产生，同时产生扩散电流扩散电流 半导体中的电流为漂移电流与扩散电半导体中的电流为漂移电流与扩散电 流之和流之和 + + + + + + - - - - - - PNPN结的结的内电场与两种运动内电场与两种运动 阻挡层阻挡层( (势垒势垒 层层) )：阻挡多：阻挡多 子的扩散运子的扩散运 动，但引起动，但引起 少子的漂移少子的漂移 运动运动 空间电荷区空间电荷区 V 内建电场内建电场 扩散扩散 + + + + + + -

29、- - - - - 漂移漂移 耗尽层耗尽层 阻挡层阻挡层 高阻区高阻区 PNPN结中两种运动的动态平衡结中两种运动的动态平衡( (一一) ) 空间电荷区空间电荷区 V 内建电场内建电场 扩散扩散 漂移漂移 耗尽层耗尽层 阻挡层阻挡层 多子的扩散运动形多子的扩散运动形 成扩散电流，并增成扩散电流，并增 加空间电荷区的宽加空间电荷区的宽 度度 少子的漂移运动形少子的漂移运动形 成漂移电流，并减成漂移电流，并减 小空间电荷区的宽小空间电荷区的宽 度度 当两种运动到达当两种运动到达 平衡时平衡时，空间电，空间电 荷区的荷区的宽度宽度也达也达 到到稳定稳定 + + + + + + - - - - - - PNPN结中两种运动的动态平衡结中两种运动的动态平衡( (二二) ) 空间电荷区空间电荷区 V 内建电场内建电场 扩散扩散 漂移漂移 耗尽层耗尽层 阻挡层阻挡层 动态平衡时交界面动态平衡时交界面 两侧的空间电荷量、两侧的空间电荷量、 空间电荷区宽度、空间电荷区宽度、 内建电场等参量均内建电场等参量均 为常数，且与半导为常数，且与半导 体材料、掺杂浓度、体材料、掺杂浓度、 温度有关温度有关 耗尽层为高阻区，耗尽层为高阻区， 空间电荷区以外的空间电荷区以外的 区域为低阻区区域为低阻区 + + + + + + - - - - -