第1章 半导体二极管及其基本电路

1、第1章 半导体二极管及其半导体二极管及其 基本电路基本电路 n半导体的基本知识 n半导体二极管及其基本特性 n二极管的基本应用电路 第1章 半导体二极管及其基本电路 1.1 半导体基本知识 在自然界中，根据物质导电能力的差别，可在自然界中，根据物质导电能力的差别，可 将它们划分为将它们划分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。 如：金属如：金属 如：橡胶、陶瓷、塑如：橡胶、陶瓷、塑 料和石英等等料和石英等等 第1章 半导体二极管及其基本电路 其中最其中最典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价价元素元素 典型的半导体材料典型的半导体材料 元素元素硅（硅（Si）

2、、锗（锗（Ge） 化合物化合物砷化镓（砷化镓（GaAs） 掺杂元素掺杂元素 硼（硼（B）、磷（磷（P） 1.1.1 1.1.1 半导体材料半导体材料 半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，当受外界光和热刺激或加 入微量掺杂,导电能力显著增加。 第1章 半导体二极管及其基本电路 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。 第1章 半导体二极管及其基本电路 硅和锗最外层轨道上的四个电子硅和锗最外层轨道上的四个电子 称为称为价电子价电子。 硅原子和锗原子的结构 Ge Si

3、+4 半导体的导电性能是由其原子结构决定的。半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 为方便起见，常表示如下： 第1章 半导体二极管及其基本电路 半导体的共价键结构图 +4+4 +4+4 共价键共 用电子对 共 价 键 正离子核 第1章 半导体二极管及其基本电路 1. 本征半导体 定义：定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。纯净的、不含其他杂质的半导体。 在绝对温度T=0K时，所 有的价电子都被共价键 紧紧束缚其中，不能成 为自由电子，因此本征 半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。 +4+4 +4+4 T=0K时本征半导体结构图： 第1章 半导体二极管及其基本电路 温度升高后，本征半导体结构图 +

4、4+4 +4+4 自由电子 空穴 第1章 半导体二极管及其基本电路 +4+4 +4+4 这一现象称为 本征激发，也 称热激发。 所谓本征激发，就是由于 随机热振动致使共价键被 打破而产生电子空穴对 的过程。 电 子 空 穴 对 第1章 半导体二极管及其基本电路 +4+4 +4+4 电子空穴对 复合：与本征激发现象相 反，即自由电子遇到空穴 并填补空穴，从而使两者 同时消失的现象。 在一定温度下，本征激发在一定温度下，本征激发 与复合这二者产生的电子与复合这二者产生的电子 空穴对数目相等，达到空穴对数目相等，达到 一种一种动态平衡动态平衡。 第1章 半导体二极管及其基本电路 E 自由电子带负电荷

5、，形成电子流带负电荷，形成电子流 两种载流子两种载流子 空穴视为视为带正电荷，形成空穴流带正电荷，形成空穴流 +4+4 +4+4 自由电子 空穴 电 子 流 空 穴 流 第1章 半导体二极管及其基本电路 2. 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半 导体称为导体称为杂质半导体杂质半导体。 因掺入杂质性质因掺入杂质性质 不同，可分为：不同，可分为： 空穴（空穴（P）型半导体）型半导体 电子（电子（N）型半导体）型半导体 【Positive】 【Negative】 第1章 半导体二极管及其基本电路 +4+4 +3+4 P型半导体的结构图 在硅（

6、或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如价杂质元素，如 硼、镓等。硼、镓等。 1. P型半导体 空穴 v 多数载流子（多 子）空穴； v 少数载流子（少 子）自由电子。 空穴的来源： （1）本征激发产生 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的） 第1章 半导体二极管及其基本电路 +4+4 +3+4 P型半导体的结构图 在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如价杂质元素，如 硼、镓等。硼、镓等。 1. P型半导体 空穴 v 多数载流子（多 子）空穴； v 少数载流子（少 子）自由电子。 自由电子的来源： 只有本征激发产生

7、（少量的） 第1章 半导体二极管及其基本电路 v 多数载流子（多 子）自由电子； v 少数载流子（少 子）空穴。 N型半导体的结构图 +4+4 +5+4 在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，价杂质元素， 如磷，砷等。如磷，砷等。 2. N型半导体 多余的电子 自由电子的来源： （1）本征激发产生 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的） 第1章 半导体二极管及其基本电路 v 多数载流子（多 子）自由电子； v 少数载流子（少 子）空穴。 N型半导体的结构图 +4+4 +5+4 在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素

8、，价杂质元素， 如磷，砷等。如磷，砷等。 2. N型半导体 多余的电子 空穴的来源： 只有本征激发产生 （少量的） 第1章 半导体二极管及其基本电路 杂质半导体的示意表示方法 + + + + P型半导体型半导体N型半导体型半导体 少子浓度只与温度有关 多子浓度主要受掺入杂质浓度的影响 负离子 空穴 正离子 自由电子 第1章 半导体二极管及其基本电路 P1-2相关概念相关概念 n半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间 n半导体特点：1) 在外界能源的作用下，导电性 能显著变化。2) 在纯净半导体内掺入杂质，导 电性能显著增加。 n本征激发，就是由于随机热振动致使共价键被打 破而产生电子空穴对

9、的过程。 n复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空 穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。 n本征半导体的导电能力很弱 第1章 半导体二极管及其基本电路 杂质半导体的示意表示方法 + + + + P型半导体型半导体N型半导体型半导体 少子浓度只与温度有关 多子浓度主要受掺入杂质浓度的影响 负离子 空穴 正离子 自由电子 第1章 半导体二极管及其基本电路 1.1.2 PN结及其单向导电性 1. PN结的形成 第1章 半导体二极管及其基本电路 耗尽层 PN结 势垒区阻挡层 +- 第1章 半导体二极管及其基本电路 由上可知，由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： v 多数载流子的多数载流子

10、的扩散运动扩散运动 v 少数载流子的少数载流子的漂移运动漂移运动 产生的电流称为产生的电流称为扩散电流扩散电流 产生的电流称为产生的电流称为漂移电流漂移电流 P区空穴N区 N区电子P区 N区空穴P区 P区电子N区 第1章 半导体二极管及其基本电路 2. PN结的单向导电性 n外加正向电压 即电源的正极接即电源的正极接P P区，负极接区，负极接N N区。区。 PNPN结的这种接法称为结的这种接法称为正向接法正向接法或或正向偏置正向偏置 （简称（简称正偏正偏）。）。 前提：只有在外加电压时才会显示出来 第1章 半导体二极管及其基本电路 PN结加正向电压时导通 + + + 变薄 内电场 外电场 P区

11、N区 多子空穴 多子电子 IF VF 正向电流 I：扩散电流 第1章 半导体二极管及其基本电路 PN结加正向电压时导通 + + + 变薄 内电场 外电场 P区N区 IF VF I：扩散电流 内电场被削弱，多子的扩散加 强，形成较大的扩散电流I。 小结 第1章 半导体二极管及其基本电路 外加反向电压 即电源的正极接即电源的正极接N N区，负极接区，负极接P P区。区。 PNPN结的这种接法称为结的这种接法称为反向接法反向接法或或反向偏置反向偏置 （简称（简称反偏反偏）。）。 第1章 半导体二极管及其基本电路 PN结加反向电压时截止 + + + 内电场 外电场 P区N区 VR 变厚 IR I：漂移

12、电流 反向电流 温度一定时，反向电 流IR趋于恒定值，称 为反向饱和电流IS。 第1章 半导体二极管及其基本电路 PN结加反向电压时截止 + + + 内电场 外电场 P区N区 VR 变厚 IR I：漂移电流 小结 内电场被加强，多子的扩散受抑制。 少子漂移加强，但少子数量有限，只 能形成较小的反向电流IR。 第1章 半导体二极管及其基本电路 归纳： PNPN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电扩散电 流流，呈现低电阻，呈现低电阻， PNPN结结导通导通； PNPN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电漂移电 流流，呈现高电阻，呈现高电阻

13、， PNPN结结截止截止。 这就是PN结的单向导电性。 第1章 半导体二极管及其基本电路 1.2.1 二极管的结构与符号 二极管实物认识二极管实物认识 1.2 1.2 半导体二极管及其特性半导体二极管及其特性 第1章 半导体二极管及其基本电路 二极管图形符号、文字符号二极管图形符号、文字符号 diodeD 第1章 半导体二极管及其基本电路 1 正向特性 硅二极管的死区电压Vth=0.50.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.20.3 V左右。 当0VVth时，正向电流 为零，Vth称死区电压或开启 电压。 正向区分为两段： 当V Vth时，开始出现正 向电流，并按指数规律增长。 1.2.

14、2 二极管的V-I特性 第1章 半导体二极管及其基本电路 当VBRV0时， 反向电流很小，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VVBR时，反向 电流急剧增加，VBR称 为反向击穿电压 。 2, 反向特性 第1章 半导体二极管及其基本电路 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。 3. 反向击穿特性 第1章 半导体二极管及其基本电路 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升温度对二极管的性能有较大的影响，温度升 高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管高时，反向电流将

15、呈指数规律增加，如硅二极管 温度每增加温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二极，反向电流将约增加一倍；锗二极 管温度每增加管温度每增加1212，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。 4. 温度影响 第1章 半导体二极管及其基本电路 Vth V（ （BR） vD/V iD/mA iD/A 环境温度升高，二极管的正向特性曲线将左移， 反向特性曲线下移。 第1章 半导体二极管及其基本电路 nIF：最大整流电流 1.2.3.二极管的参数 指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平 均电流。均电流。 VBR：反向击穿电压 指管子反向击穿时的电压值。指管

16、子反向击穿时的电压值。 一般手册上给出的最大反向工作电压约为一般手册上给出的最大反向工作电压约为VBR的的 一半。一半。 第1章 半导体二极管及其基本电路 指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管 子的单向导电性愈好。子的单向导电性愈好。 温度对它影响很大，使用时应注意。温度对它影响很大，使用时应注意。 IR：反向电流 第1章 半导体二极管及其基本电路 1.3.1 稳压二极管 iZ/mA vZ/V VZ IZ VZ V-I特性特性 a k 代表符号代表符号 V VZ Z表示反向击表示反向击 穿电压，即稳压管穿电压，即稳压管 的稳定电压。的稳定电压。 1.

17、31.3二极管的应用电路二极管的应用电路 第1章 半导体二极管及其基本电路 VI IZ IO(IL) VO 【分析】 例如：假设例如：假设VI恒定，而恒定，而RL减小，则有减小，则有 RL VZ稳压稳压 IO IZ不变不变 IR VR VI恒定恒定 VO IZIR VR VI恒定恒定 VO 第1章 半导体二极管及其基本电路 （1 1）应使外加电源的正极接管子的应使外加电源的正极接管子的N N区，电区，电 源的负极接源的负极接P P区，以区，以保证稳压管工作在保证稳压管工作在反向 击穿区【！】。 （2 2）稳压管应与负载电阻）稳压管应与负载电阻R RL L并联，由于稳压并联，由于稳压 管两端电压

18、的变化量很小，因而使输出电管两端电压的变化量很小，因而使输出电 压比较稳定。压比较稳定。 （3 3）必须限制流过稳压管的电流）必须限制流过稳压管的电流I IZ Z，不要超，不要超 过规定值，以免因过热而烧坏管子。过规定值，以免因过热而烧坏管子。 【注意】 第1章 半导体二极管及其基本电路 稳压管的一种实物图 黑头一侧为阴极，即k端 第1章 半导体二极管及其基本电路 符号符号 光电传输系统光电传输系统 1.3.2 1.3.2 发光二极管发光二极管 (发光发光) 第1章 半导体二极管及其基本电路 几种普通发光二极管实物图 长脚为正极 大头为负极 第1章 半导体二极管及其基本电路 （a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 1.3.3 1.3.3 光电二极管光电二极管 可用来作为光的测量，是将光信可用来作为光的测量，是将光信 号转换为电信号的常用器件。号转换为电信号的常用器件。 (接收光接收光) 第1章 半导体二极管及其基本电路 补:判断D状态方法 n习题1.11,1.12 第1章 半导体二极管及其基本电路 开关电路开关电路（理想模型理想模型） 电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值 解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳