第2章半导体二极管及其基本电路

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 导体：铜，银，铝，铁 绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶 半导体：硅，锗 半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随 外界条件的变化而产生很大的变化。 2-1-1 半导体材料 温度：温度上升，电阻率下降。 锗由20上升到30，电阻率降低一半。 掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。 纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。 光照：光照使电阻率降低。 利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体 器件。 引起导电性能产生很大变化的外界条件有： 2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构 1、原子结构 硅 +14 锗

2、+32 共同特点： 最外层具有4个价电子。 +4 2 晶格与共价键 半导体的共价键结构 处于共价键中的电子称 为束缚电子，能量小， 不能参与导电。 2-1-3 本征半导体与本征激发 本征半导体：高度纯净，结构完整的半导体。 本征激发本征激发：束缚电子获得一定 的能量，脱离共价键的束缚而 成为自由电子的现象。 (锗 0.67ev 硅 1.1ev) 认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。 自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为复合复合。 本征激发后，共价键中留下的空 位叫空穴。 本征激发产生自由电子和空穴对。 空穴 空穴的运动 半导体中有两种载流子： 自由电子和空穴。 半导体中的电流是电 子流

3、和空穴流之和。 在本征半导体中自由电 子数总等于空穴数，且 浓度很低，导电能力差。 本征激发产生的载流子 浓度随温度增加急剧增 大。 束缚电子填补空穴的 运动称空穴的运动。 硅原子外层电子比锗离核 近，受原子核束缚力大， 在同样温度下本征激发小， 温度稳定性好。 2-1-4 杂质半导体 P型半导体 在本征半导体中掺入微量 3价元素（如硼）形成 。 +4 +3+4 +4 +4 空穴-多数载流子（多子） 电子-少数载流子（少子） 每一个三价杂质原子产 生一个空穴-负离子对。 三价杂质称为 受主杂质。 杂质原子获得一个 电子成为负离子。 硅原子的共价键上 缺少一个电子形成 空穴 2 N型半导体在本征

4、半导体中掺入少量的 五价元素（如磷）形成。 杂质原子多余的一个价 电子容易挣脱原子核的 束缚变成自由电子。 每一个5价杂质原子 产生一个电子-正离子对。 杂质原子失去一个 电子成为正离子。 5价杂质-施主杂质 电子-多子载流子 空穴-少子载流子 结论 掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性 能大增。 掺入五价杂质产生N型型半导体（电子型型半导体）。 多子多子电子、少子电子、少子空穴。空穴。 掺入三价杂质产生P型型半导体（空穴型空穴型半导体）。 多子多子空穴、少子空穴、少子电子。电子。 多子浓度近似等于杂质浓度， 少子浓度与温度密切相关。 2-2 PN结的形成及特性 1、 PN结的形成 浓度

5、差产生多子的扩散运动， 扩散破坏了原来的电中性, P区失去空穴，留下负离子。 N区失去电子，留下正离子。 正负离子的数量相等。 np PN 在在P区和N区交界面附近， 形成由不能移动的正负离 子组成的区间称空间电荷空间电荷 区区，也称PN结区。结区。 PN 结区 空间电荷区宽度与 杂质浓度成反比。 内建电场内建电场 由空间电荷形成的电场。 内建电场阻止多子的扩 散运动。 耗尽层耗尽层 PN结内由于扩散与复合， 使载流子几乎被耗尽， 是高阻区。 也称为阻挡层阻挡层。 结区 E PN 漂移运动 载流子在电场作用下产 生的运动。 内建电场有利于少子的 漂移运动。 扩散与漂移达到动态平 衡时，形成PN

6、结。 动态平衡时流过PN结的 总电流为0。 Vo: 硅 0.60.8V 锗 0.10.3V PN 结区 E V0 电位 分布图 -qV0 电子势能 分布图 势垒区势垒区 空间电荷在结区内形成 电位差， 称接触电位差或结电压 2.2.2 PN结的单向导电性 (1) 外加正向电压 内电场 外电场 正向偏置: P区接电源端区接电源端 N区接电源端区接电源端 在外电场的作用下 P区空穴向结区运动，中 和部分负离子。 N区自由电子向结区运动， 中和部分正离子。 空间电荷减少， 结区变窄。 VF 原来的动态平衡被打破, 多子的扩散电流远大于少 子的漂移电流， 产生较大的正向电流IF。 P区、N区为低阻区，

7、结区为高阻区，所以外加 电压主要加在结区，抵消内电场的作用。 结内电位差减小，势垒减小。 VF V0 V0-VF 外加电压很小变化，将引 起电流的较大变化。 PN结正向导通，其正向导 通电阻很小。 (2) 外加反向电压 内电场 VR 外电场 反向偏置 : P区接电源端，区接电源端， N区接电源端。区接电源端。 结内电位差增加， 势垒提高。 P区的空穴，N区的 自由电子，均背离结区 运动，致使： 空间电荷增加， 结区变宽。 V0 V0+VR 多子的扩散电流趋于0， 由少子的漂移电流产生反向电流。 少子浓度很小，所以反向电流很小。 PN结反向截止，反向截止电阻很大。 少子由本征激发产生，其浓度与材

8、料及温度有关， 所以反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随 温度增加急剧增大 结论结论: 加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加 电压很小变化，将引起电流的较大变化。 加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电 流的大小几乎与反向电压无关。 PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。 (3) PN 结的V-I特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 VT =kT /q K=1.3810-23（J/K） q=1.610-19C T 绝对温度 当T=300K时 VT26mV )1( T D V v SD eIiiD IS vD 加正向电压 vD0 S D TD V v SD D

9、 V I i Vv eIi Vv ee T D T ln 1.0 18.46 026.0 1.0 1.0 SD D V Ii Vv ee T 1 . 0 1021. 0 026. 0 1 . 0 1 . 0 几乎与反向电压的大小无关 D i 加反向电压 vD6V) 反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。 PN 结电击穿的形式： 齐纳击穿 （场致击穿） 发生在搀杂浓度较高的PN结。 反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共 价键的电子直接大量吸引出来而产生的。 特点：击穿电压较小(管压降 的情况 如开关电路 iD0vD=0 vD0iD=0 iD vD iD vD iD vD iD v

10、D 2、恒压降模型 二极管正向导通时，认为 其管压降VF=常数 （硅管取0.7V)。 用于直流分析时，电源电 压较大，工作电流较大， （1mA)，正向电压变化 较小的情况。 iD vD iD vD iD v D iD vD 3、折线模型 Vth:门坎电压 (硅管一般取0.5v), iD vD 二极管的正向压降随流 过二极管正向电流的增 加而线性增加。一般用 于电源电压较小，工作 电流较小的场合。 D thD D I VV r rD Vth iD v D 根据二极管的电流ID和管 压降VD可以求出rD ID VD iD vD Vth iD vD 4、小信号模型 当输入变化的信号时，且信号幅度很小

11、，二极管 工作在静态工作点Q附近的小范围内, 则可以在小范围内把V-I特性曲线看成是过Q点的 切线。其斜率的倒数称微变电阻rd （动态电阻） 小信号模型只用于动态分析， 方程中求解的变量是信号量。 （电压和电流瞬时值的变化量） rd D rd的计算 ) 1( Q T V V eIi di dv r S d rd与静态工作电流有关。 T Q T V V s Q V v T s V I V eI e V I dv di T Q T Q 时）KT I mV I V r QQ T d 300( )(26 2-4-2 二极管模型分析法 1、静态分析 图解法 VDD VD ID R ID=f（VD） VD

12、=VDD-IDR VQ IQ R VDD VD ID 模型分析法 理想模型 VDD0: ID=VDD/R VD=0 VDDVF: VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/R VDDVth: ID=(VDD-Vth)/(R+rD) VD=Vth+IDrD=VDD-IDR VDD0 Vi3V 二极管导通 VDO0 Vi0 Vi3V 二极管导通 Vo=VR=3V VDO0 Vi0.7V， 所以二极管采用恒压降模型。 计算二极管的微变电阻 rd= 26mV/ID= 28 欧姆 画微变等效电路：直流电源取零值，二极管用其微 变电阻代替，电路中的变量是电压、电流的变化量。 VD=0.7V ID=（

13、10-0.7）/10 =0.93mA vD = vrd/(R+rd) = 2.79mV VDD R D ID 0.7V VD v R rd D i D v %4 . 0%10 D D DD V v V v 2-5 特殊二极管 2.5.1 稳压管 1、原理：利用二极管反向击 穿特性实现稳压。反向击穿 后，电流急剧增加，但电压 基本保持不变。 只要反向电流限制在一定范 围之内，管子不会损坏。 理想稳压管的特性 稳压值VZ与温度有关 VZ5.7V，雪崩击穿为 主，具有正温度系数 VZ5.7V,温度系数最小 vD iD VZ VD iD 0.7V 2、稳压管参数 稳定电压VZ 反向电击穿时的工作电压。

14、 稳定电流IZ 测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。 iZIZ，稳压性能较好，rZ减小。 额定功耗PM 允许的最大功耗，一般 IZM=PM/VZ 动态电阻rZ 反向击穿区斜率的倒数 rZ=dVZ/diZ|iZ=IZ 温度系数 温度变化1，稳定电压变化的百分数。 R限流电阻, 使稳压管的电流在 正常工作范围之内。 稳压过程: vivoiZiRvR vo RLioiRvoiZ iRvo 3 稳压管的应用稳压 电平移动 限幅等 基本稳压电路 vi vo iR io iZ R RL 例：Vz=6V，Izmin=5mA ，Izmax=25mA Vi=10V、15V、35V, 求Vo 、IZ L L i

15、i RR R VV VVI VVVV oZ ii 33. 30 ,33. 310 VVI VVVV oZ ii 50 ,515 mA RR VV IVV VVVV L Zi Zo ii 1 .17 / 6 ,7 .1135 Vi Vo IR R RL 1K 0.5K IZ Vi Vo R/RL IZ 限流电阻的计算 输入电压的变化范围为: ViminVimax 负载电流的变化范围为: IominIomax 稳压管正常工作电流范围为: IzminiZIzmax minmax max maxmin max max oZ Zi Zo Zi Z o Zi Z II VV R II R VV i I R VV i maxmin min minmax min min oZ Zi Zo Zi Z o Zi Z II VV R II R VV i I R VV i ViVZ IR Io iZ R RL 例:2.5.1 已知 Vimin=12V，Vimax=13.6V, Vo=9V, Pomax=0.5W, 稳压管参数：VZ=9V，PM=1W，IZ=5mA， IZM=PM/VZ=110mA，求限流电阻R。 解:负载电流的的范围为: Iomin=0 Iomax=Pomax/Vo=56mA 8 .41 1