第1章：半导体二极管及其应用

1、教材：模拟电子技术基础 杨拴科主编 高等教育出版社 2003.1cm931010GeSi在物理结构上呈单晶体形态。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子这种结构如何体现半导体的特性呢？导电机制是什么？ 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以能量增高，有的价电子可以挣脱挣脱原子核的束缚，原子核的束缚，而参与导电，成为而参

2、与导电，成为自由电子自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中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，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称，也称热激热激发发。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁

3、移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。l游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。称为复合。l可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。同时成对出现的，称为电子空穴对。l当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，即即“空穴空穴-电子对电子对”浓度一定。浓度一定。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温

4、度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。4、杂质半导体(1) (1) N型半导体型半导体(2) (2) P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。掺入质，可使半导体

5、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。掺入杂质后的的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 (1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体, ,也称电子型半导体。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共价键，而多余的一个价半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而很容易形成自由电子。电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。+4+4+5

6、+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？ 在在N型半导体中自由电子是多数载流子型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。施主杂质。1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、

7、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。(2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电价杂质原子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

8、穴。子而在共价键中留下一个空穴。 +4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形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。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。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度

9、本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.

10、2 PN 的单向导电性的单向导电性 1 1、PNPN结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+多子扩散运动多子扩散运动内电场内电场E少子漂移运动少子漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电

11、荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: :PNPN结形成的物理过程：结形成的物理过程： 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形

12、成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽 最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为空间电荷区称为P N 结结 , 在空间电荷区，由于缺少在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。 1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。

13、）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。2、 PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；区的电位，称为加正向电压，简称正偏； PN结具有单向导电性，若外加电压使电流结具有单向导电性，若外加电压使电流从从 P 区流到区流到 N 区，区， PN结呈低阻性，所以电流结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。大；反之是高阻性，电流小。 P 区的电位低于区的电位低于 N 区的电位，称为加反向电

14、区的电位，称为加反向电压，压，简称反偏。简称反偏。 PN结正偏时结正偏时 a、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散；、外加电场使得内电场被消弱，从而加剧了多子扩散； 多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄；多子向耗尽层的扩散使空间电荷层变窄； b、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移；、空间电荷层变窄更有利于多子扩散而抑制少子漂移； c、多子扩散电流称为正向电流（、多子扩散电流称为正向电流（P N），此时称），此时称PN结导通；结导通；PN结正偏：结正偏：PN结导通，电阻很小，正向电流较大；结导通，电阻很小，正向电流较大；PN结反偏时结反偏时a、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散

15、而增强了少子的、外加电场增强内电场，从而阻碍多子扩散而增强了少子的 漂移，使得空间电荷层变宽；漂移，使得空间电荷层变宽；b、少子漂移电流（、少子漂移电流（N P），称为反向饱和电流；），称为反向饱和电流；c、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随、反向饱和电流很小，且外加电压超过一定数值时，基本不随 电压的增加而增加。电压的增加而增加。PN结反偏：结反偏：PN结截止，电阻很大，反向电流很小；结截止，电阻很大，反向电流很小；其中其中) 1(/SDDTVveIiIS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026. 0qkTV

16、TmV 26 2、PN结方程结方程正向：正向：TVveIi/SDD反向：反向：SDIi 近似近似 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大

17、可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.

18、4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性（1）、正向特性）、正向特性死区电压死区电压： 硅：0.5V 锗：0.1V正常工作时的管压降正常工作时的管压降 硅：硅：0.7V 锗：锗：0.3V （2）、反向特性）、反向特性 反向电流由少子形成，因此反向电流一般很小很小；小功率硅管：小于1微安；小功率锗管：几十微安；（3）、反向击穿特性）、反向击穿特性 反向击穿反向击穿：外加电压达到一定数值时，在PN结中形成强大的电场，强

19、制产生大量的电子和空穴，使反向电流剧增； 齐纳击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，拉出共价键中的自由电子而产生较大的电流。当反向电压小于4V时，击穿主要为齐纳击穿。雪崩击穿：所加反向电压使空间电荷区增大，产生较大的电场，使做漂移的少子运动速度加大，能量加大，碰撞出共价键中的自由电子而产生较大的电流。一个当电压大于6V时，击穿主要为雪崩击穿。发生击穿是否就证明二极管损坏了呢？3、半导体二极管的等效模型iuDU+-uiDU恒压模型U D 二极管的导通压降：硅管 0.7V；锗管 0.3V。二极管的VA特性iu0理想二极管模型：ui-+iu正偏正偏反偏反偏-+iu小信号模型: :在交流

20、小信号模型下将二极管等效于rD,因此可用于分析二极管电路。dTdiUr例1-1 ui=10sinwt (v)E=5vR=1k欧姆忽略二极管的正向压降和反向电流画出画出uo的波形的波形（1） ui E 时，二极管正向导通， uo = E;例1-2 判断二极管的 工作状态。判断方法判断方法： 正向偏置VAVB；导通； 反向偏置VAVB；截止；解题方法：解题方法： 断开二极管2AP1，求VA和和VBVA = 15 （10/（10+140）=1V；VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V； VAVB，所以，二极管2AP1截止；+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4D1 、D3导通， D2、D4截止。u2正半周时:tuLtU1.工作原理u2负半周时：D2、D4 导通， D1 、D3截止。tUu2t-+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4tuLtUIZ mi nIZ m a xUZIZUZ2、稳压管的参数（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动