半导体二极管与其基本电路

1、半导体二极管与其基本电路3.1 半导体的基本知识一、 半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。 元素半导体：硅（元素半导体：硅（Si）和锗（锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（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其独特的特点。常用的半导体材料导体（低价元素）导体（低价元素）半导体半导体绝缘体（高价元素）绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等金、银、铜、铁等硅、锗、镓等硅

2、、锗、镓等橡胶、惰性气体等橡胶、惰性气体等典型的半导体是硅典型的半导体是硅SiSi和锗和锗GeGe，它们都是它们都是4 4价元素。价元素。硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。四个电子称为价电子。硅原子硅原子siSi锗原子锗原子GeGe+4+4二、半导体共价键结构（硅）(a) 硅晶体的空间排列 价电子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价电子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这种结构的

3、立体和平面示意图见 图图2-1图图2-1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b) 共价键结构平面示意图1.1.本征半导体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制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”9”。在绝对温度在绝对温度T=0KT=0K时，所有的价电时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不子都被共价键

4、紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，会成为自由电子，因此本征半导体的因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。导电能力很弱，接近绝缘体。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子当温度升高或受到光的照射时，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，成为自由电子。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。键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴是空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。半导体区别于导体的一

5、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。这一现象称为本征激发，也称热激发。2. 2. 电子空穴对电子空穴对可见本征激发同时产生电子空穴对。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），产生的外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。电子空穴对越多。与本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合 在一定温度下，本征激发和复合同时在一定温度下，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进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。定。常温常温300300K K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：1031.4 10cm锗：锗：1332.5

6、10cm电子空穴对+4+4+4+4+4+4+4+4+4E3. 空穴的移动空穴的移动图图2-3 空穴在晶格中的移动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）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自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实电子依次充填空穴来实现的。现的。动动 画画 演演 示示由于热激发而由于热激发而产生的自由电产生的自由电子子自由电子移自由

7、电子移走后而留下走后而留下的空穴的空穴4. 导电机理导电机理自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流 总电流总电流载流子载流子空空 穴穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流 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；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。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

8、的作用下，电子和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。空穴会产生定向移动，形成电流而导电。(1) (1) P型半导体型半导体(2) (2) N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂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。导体称为杂质半导体。四、杂质半导体四、杂质半导体1. P型半导体型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素（如在本征半导体中掺入

9、三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成硼、镓、铟等）形成P P型半导体，也称为空穴型半导体，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价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。个空穴。 P型半导体型半导体硅原子空穴硼原子电子空穴对空穴受主离子P P型半导体中空穴是多数载流子，主要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，由热激由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子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为负离子。三

10、价杂质因而也称为受主杂质。质。+4+4+4+4+4+4+4+4+5N型半导体型半导体2. N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素在本征半导体中掺入五价杂质元素（如如磷磷）, ,可形成可形成N N型半导体型半导体, ,也称电子型半导体。因也称电子型半导体。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很容易形成自由电子。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在N N型半导体中自由电子是多数载流

11、子型半导体中自由电子是多数载流子, ,它它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, , 由由热激发形成。热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电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荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。施主杂质。3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性N型半导体型半导体P型半导体型半导体+杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图多子多子电子电子少子少子空穴空穴多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关，与掺杂无关与温度有关，与掺杂无关多子浓度多子浓度与温度无关，与掺杂有

12、关与温度无关，与掺杂有关1. PN结的形成结的形成在一块本征半导体在两侧通过在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成P P型半导型半导体和体和N N型半导体。此时将在型半导体。此时将在P P 型半型半导体和导体和N N型半导体的结合面上形成如型半导体的结合面上形成如下物理过程下物理过程: :两侧载流子存在浓度差两侧载流子存在浓度差杂质离子不移动形成空间电荷区杂质离子不移动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动促进少子漂移运动阻止多子扩散运动阻止多子扩散运动扩散和漂移达扩散和漂移达到动态平衡到动态平衡形成形成PN结结多子扩散运动

13、多子扩散运动:空穴：空穴：PN；电子电子NP空穴和电子产生复合空穴和电子产生复合空间电荷区PN内电场内电场耗尽层V0电电位位V电电子子势势能能-qV0PNPN结的形成过程动画演示结的形成过程动画演示PN结结+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场EREW2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P P区，负极接区，负极接N N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流多子扩散形成正向电流I F正向电流

14、正向电流(2) 加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRP PN N在一定的温度下，由本征在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的激发产生的少子浓度是一定的，故，故IR基本上与外加反压的基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱大小无关，所以称为反向饱和电流。但和电流。但IR与温度有关。与温度有关。 单向导

15、电性动画演示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。PNPN结的单向导电性结的单向导电性u 正向特性：指数规律正向特性：指数规律u 击穿特性：击穿特性：u 反向特性：反向阻断反向特性：反向阻断（1）雪崩击穿）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。碰撞

16、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）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结的反向电流剧增呈反向击穿现象叫齐纳击穿。纳击穿。3 PN的反向击穿的反向击穿反向击穿反向击穿热击穿热击穿 电击穿电击穿雪崩击穿

17、雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿PN结两端反向电压增加结两端反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然增加，这种现象称为突然增加，这种现象称为反向击穿反向击穿消耗功率大于消耗功率大于耗散功率耗散功率PN结损坏结损坏反向击穿电压反向击穿电压VBR0viD反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流ISIs（少子漂移）（少子漂移）正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）消耗功率小于耗散消耗功率小于耗散功率功率击穿过程可逆击穿过程可逆反向击穿（雪崩击穿和齐纳击穿）反向击穿（雪崩击穿和齐纳击穿）势垒电容势垒电容 外加电压时，二极管外加电压时，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结空间电荷区中

18、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（，这显示了电容效应，这个电容称为势垒电容（CB）外外 加加 电电 压压使耗尽层变宽使耗尽层变宽空间电荷量增加空间电荷量增加相当于充电相当于充电使耗尽层变窄使耗尽层变窄空间电荷量减少空间电荷量减少相当于放电相当于放电4. PN结的电容效应结的电容效应扩散电容扩散电容 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，这个电容称为扩散电容（量的变化而产生的电容效应，这个电容称为扩散电容（CD）外加正向电压外加正向电压增加增加积累电

19、荷量增加积累电荷量增加相当于充电相当于充电减小减小积累电荷量减少积累电荷量减少相当于放电相当于放电 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，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。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：结构：二极管二极管 PNPN结结 管壳管壳 引线引线NP符号：符号：阳极（正极）阳极（正极） 阴极（负极）阴极（负极）3.3 半导体二极管半导体二极管一、一、 半导体二极管的结构半导体二极管的结构二极管常见的几种结构二极管常见的几种结

20、构1. 1. 点接触型二极管点接触型二极管N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝PN结面积小，结电容结面积小，结电容小，用于检波和变频小，用于检波和变频等高频电路。等高频电路。2. 面接触型二极管面接触型二极管负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电工频大电流整流电路。路。3. 3. 平面型二极管平面型二极管SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅用于集成电路制造工艺中用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路用于高频整流和开关电路中。中。常见的半

21、导体二极管常见的半导体二极管半导体二极管的型号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：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：代表器件的类型，代表器件的类型，P P为普通管，为普通管，Z Z为整流管，为整流管，K K为开关管。为开关管。2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。1. 正向特性正向特性实验曲线实验曲线iu0硅：硅：0.5 V锗：锗： 0.1 V导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和

22、电流开启开启电压电压击穿电压击穿电压UBR锗锗uEiVmA2. 反向特性反向特性uEiVuA硅：硅：0.7 V锗：锗：0.3V二、二极管的伏安（二极管的伏安（VI）特性）特性iu0vD1. 正向特性正向特性实验曲线实验曲线硅：硅：0.5 V锗：锗： 0.1 V导通压降导通压降开启开启电压电压硅：硅：0.7 V锗：锗：0.3V当当0vDVth时，正向电时，正向电流为零，流为零，Vth称为死区电压称为死区电压或开启电压。或开启电压。当当vD 0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段：当当vD Vth时，开始出现时，开始出现正向电流，并按指数规律正向电流，并按指数

23、规律增长。增长。实验曲线实验曲线2. 反向特性反向特性硅：硅：0.5 V锗：锗： 0.1 V导通压降导通压降开启开启电压电压硅：硅：0.7 V锗：锗：0.3Viu0vD 当当vD0时，即处于反向特性区域。时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：反向区也分两个区域：当当VBRvD0时，反向电流时，反向电流( (少少数载流子的漂移数载流子的漂移) )很小，且基本不很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时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的反向电流也称反向饱和电流I IS S 。当当vDVBR时，反向电流急剧增时，反向电流急剧增加，加，VBR称为反向击穿电压称为反向击穿电压

24、 。一般地：一般地： IS（硅）（硅） 管压降）管压降） 3. 折线模型（恒压降模型的修正）折线模型（恒压降模型的修正） 折线模型折线模型特点：管压降不恒定，随特点：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近似。电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为，约为0.5V。至于。至于rD的值的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为时，管压降为0.7V，于是，于是rD的值可计算如下：的值可计算如下： 4. 小信号模型（指数模型）小信号模型（

25、指数模型） 二极管的二极管的V-I 特性表达式特性表达式: 取取iD对对vD的微分，可得微变电导的微分，可得微变电导 (当当T=300K时时) 二极管外加正向电压时，将有一直流电流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，曲线上反映该电压和电流的点称为Q点（点（静态静态工作点工作点），若在），若在Q点的基础上外加微小的变化点的基础上外加微小的变化量，则可以用以量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小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）。（称二极管微变等效电路）。二、模型分

26、析法应用举例二、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，例：电路如图所示，R10K，当当VDD=10V和和1V时，分别求电路的时，分别求电路的ID和和VD值。分别用理想模型、恒压降模型和折线模型。值。分别用理想模型、恒压降模型和折线模型。解：解： VDD=10V. .二极管静态工作点分析二极管静态工作点分析 折线模型: VDD=1V理想模型：D0VV 恒压降模型：D0.7VV 折线模型: 结论：结论：电源电压电源电压管压降时，恒压降模型能得出较合理的管压降时，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。结果；电源电压较小时，折线模型较为合理。 例：图示二

27、极管限幅电路，例：图示二极管限幅电路，R1k，VREF=2V，输入信号为，输入信号为vI。(1) 若若 vI为为4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型 计算电流计算电流I和输出电压和输出电压vo解：理想模型解：理想模型恒压降模型恒压降模型2. 2. 限幅电路限幅电路mA2k12VV4REFI RVvI=V2REFo VvmA31k1V702VV4DREFI.RVVvI 2.7V0.7VV2DREFo VVv（2）如果）如果vI为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模）所示，分别采用理想二极管模型

28、和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形。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）解：理想模型（波形如图所示）0-4V4Vvit2V2VvotvIVREF时，二极管正偏导通，相当于时，二极管正偏导通，相当于短路，短路，vo VREF。02.7Vvot0-4V4Vvit2.7V恒压降模型（波形如图所示）。恒压降模型（波形如图所示）。vIVREF+Von时，二极管正偏导通时，二极管正偏导通，相当于短路，相当于短路， vo= VREF+Von。3. 3. 开关电路：（二极管导通：开；截止：关）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

29、：先将二极管断开，然后观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，若正向察或计算二极管正、负两极间是正向电压还是反向电压，若正向则导通，否则截止。则导通，否则截止。 例：图示开关电路，当例：图示开关电路，当vI1和和vI2为为0V0V或或5V5V时，求时，求vI1和和vI2的值的值 不同组合情况下，输出电压不同组合情况下，输出电压vO的值，设二极管是理想的。的值，设二极管是理想的。5V止止止止5V5V0V通通止止0V5V0V止止通通5V0V0V通通通通0V0VvOD2D1vI2vI14 4整流电路整流电路当当vi为一正弦信号时，画出输

30、出波形：为一正弦信号时，画出输出波形：解：解：vi0时，时，D2、D4导通，导通，D1、D3截止；截止； vi0时，时，D1、D3导通，导通，D2、D4截止；截止； 5 5低电压稳压电路整流电路低电压稳压电路整流电路6 6小信号工作情况分析小信号工作情况分析2.5 2.5 特殊极管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(伏安特性如图伏安特性如图)。当稳压二极管工作在反向击穿状态当稳压二极管工作在反向击穿状态下，工作电流下，工作电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时，之间变化时，其两端电压近似为常数。其两端电压近似为常数。由于稳压二极管工作在反向击穿由于稳压二极管工作在反向击穿区，故区，故二极管一般反向接入电路。二极管一般反向接入电路。当反偏电压当反偏电压VZ时；反时；反向击穿。二极管两端向击穿。二极管两端恒定为恒定为VZ正向同二正向同二极管极管稳定电压稳定电压一、一、 齐纳二极管齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管) +VZ_稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数1. 稳定电压稳定电压 VZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Izmin 时不稳压。时不稳压。3. 最大耗散功率最大耗