第1章晶体二极管

1、第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.0概述概述1.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.2PN 结结1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用晶体二极管的应用教学要求v了解PN结的基本特性。v熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特定及应用场合。v熟悉二极管电路的三种分析方法：图解法、简化分析法、小信号分析法。能熟练利用简化分析法分析各种功能电路。v本章1.4节与1.5节根据教学需要，可作为扩展内容。概概 述述晶体二极管结构及电路符号：晶体二极管结构及电路符号：PN 结正偏结正偏( (P 接接 +、N 接接 -)-)，D 导通。导通

2、。PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性单方向导电特性PN 结反偏结反偏( (N 接接 +、P 接接 -)-)，D 截止。截止。即即主要用途：主要用途：用于整流、开关、检波电路中。用于整流、开关、检波电路中。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管PositiveNegative1.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识v导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如

3、橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。1.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会

4、使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。1.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识半导体：半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅硅( (Si) )、锗、锗( (Ge) )原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核第第 1 章晶体二极管章晶体二极管硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。器件的基本材料。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。它

5、们的最外层电子（价电子）都是四个。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键1.1.1本征半导体本征半导体第第 1 章晶体二极管章晶体二极管动画动画11.1.1本征半导体本征半导体形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键有很强的结合力，使原子共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下

6、束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。v 本征激发本征激发这种现象称这种现象称注意：注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发本征激发。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管动画动画2在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力

7、为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运

8、动。注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的半导体中有两种导电的载流子载流子v 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电第第 1 章晶体二极管章晶体二极管温度一定时：温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。i23i20epATnkTgE T导电

9、能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性第第 1 章晶体二极管章晶体二极管v N 型半导体：型半导体：1.1.2杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N 型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五

10、个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+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？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

11、子和空穴。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）。）。v P 型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P 型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在

12、硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示

13、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。v 杂质半导体中载流浓度计算杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体型半导体2in0n0npn ( (质量作用定理质量作用定理) )dn0dn0NpNn ( (电中性方程电中性方程) )P 型半导体型半导体2ip0p0nnp ap0ap0NnNp 杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度

14、取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.1.3两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散v漂移与漂移电流漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称载流子在电场作用下的运动称漂移运动，漂移运动，所形成的所形成的电流称电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度EqpJppt EpqJnnt)( 总漂移电流密度：总漂移电流密度：)(nPntptt npEqJJJ 迁移率迁移率第第 1 章晶体二极管章晶体二极管v 半导体的电导率半导体的电导率电压：电压： V = E l电流：电流： I = S Jt+ - -V长度长度 l截面积截面积 S电场电场 EI电阻

15、：电阻：SlSJElIVR t电导率：电导率：)(1npt npqEJ 第第 1 章晶体二极管章晶体二极管载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形成所形成的电流称的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度：扩散电流密度：xxpqDJd)(dppd xxnDqJd)(d)(nnd v 扩散与扩散电流扩散与扩散电流N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xn0p0第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.2PN 结结利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把 P 型半导体和型半导体和 N 型半导体在原子型半导体在原子级上紧密结合，级上紧密结合，P 区与区与

16、 N 区的交界面就形成了区的交界面就形成了 PN 结。结。 掺杂掺杂N 型型P 型型PN 结结第第 1 章晶体二极管章晶体二极管P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动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，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。1.2.1动态平衡下的动态平衡下的 PN 结结阻止多子扩散阻止多子扩散出现内建电场出现内建电场开始因浓度差开始因浓度差产生空间电荷区

17、产生空间电荷区引起多子扩散引起多子扩散利于少子漂移利于少子漂移最终达动态平衡最终达动态平衡注意：注意： PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过相抵消，通过 PN 结的电流为零。结的电流为零。 v PN 结形成的物理过程结形成的物理过程第第 1 章晶体二极管章晶体二极管动画动画3v 内建电位差：内建电位差：2idaTBlnnNNVV 室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3 V硅管硅管 VB 0.5 0.7 Vv 阻挡层宽度：阻挡层宽度：21dadaB0)2(NNNNVql 注意：注意：掺杂浓度掺杂浓度( (Na、Nd) )越大，内建电位差越

18、大，内建电位差 VB越大，阻越大，阻 挡层宽度挡层宽度 l0 越小。越小。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.2.2PN 结的伏安特性结的伏安特性v PN 结结单向导电特性正偏单向导电特性正偏P+N内建电场内建电场 El0+ -+ -VPN 结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散 少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流 IPN 结结导通导通I电压电压 V 电流电流 I 第第 1 章晶体二极管章晶体二极管动画动画4+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强

19、能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。v PN 结结单向导电特性反偏单向导电特性反偏P+N内建内建电场电场 El0- +- +VPN 结结反偏反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子漂移形成少子漂移形成微小微小的反向电流的反向电流 IRPN 结结截止截止IRIR 与与 V 近似无关。近似无关。温度温度 T 电流电流 IR结论：结论：PN 结具有单方向导电特性结具有单方向导电特性第第 1 章晶体二极管章晶体二极管动画动画5PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩

20、散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。REv PN 结结伏安特性方程式伏安特性方程式PN 结正、反向特性，可用理想的结正、反向特性，可用理想的指数函数指数函数来描述：来描述： )1e (TS VVIIqkTV T热电压热电压 26 mV( (室温室温) )其中：其中：IS 为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。受温度影响很大。正偏时：正偏时： TeSVVII 反偏时：反偏时： SII 第第 1 章晶体二极管章晶体二极管v PN 结结伏安特性

21、曲线伏安特性曲线IDVVD(on)- -ISSiGeVD(on) = 0.7 VIS = (10-9 10-16) A硅硅 PN 结结VD(on)= 0.25 V锗锗 PN 结结IS = (10-6 10-8) AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R 很小很小 I PN 结结导通导通；V 6 V) ) 形成原因：形成原因： 碰撞电离碰撞电离V(BR)IDV形成原因：形成原因：场致激发场致激发 发生条件发生条件PN 结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高( (l0 较窄较窄) )外加反向电压较小外加反向电压较小( ( 6 V) )第第 1 章晶体二极管章晶体二极管O因为因为 T 载流子运动的平均自

22、由路程载流子运动的平均自由路程 V(BR) v 击穿电压的温度特性击穿电压的温度特性u 雪崩击穿电压具有正温度系数雪崩击穿电压具有正温度系数u 齐纳击穿电压具有负温度系数齐纳击穿电压具有负温度系数因为因为 T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR) v 稳压二极管稳压二极管u 利用利用 PN 结的反向击穿特结的反向击穿特性，可性，可制成稳压二极管制成稳压二极管u 要求：要求：IZmin IZ CD ，则，则 Cj CT PN 结总电容：结总电容： Cj = CT + CDu PN 结正偏时，结正偏时，CD CT ，则，则 Cj CD故：故：PN 结正偏时，以结正偏时，以 CD 为主。为主

23、。 故：故：PN 结结反偏时，以反偏时，以 CT 为主。为主。通常：通常：CD 几十几十 pF 几千几千 pF。通常：通常：CT 几几 pF 几十几十 pF。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一个晶体二极管的内部结构就是一个 PN 结。就其结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：不同形式的模型：u 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型u 适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型直流简化电路模型直流简化电路模型交

24、流小信号电路模型交流小信号电路模型u 电路分析时采用的电路分析时采用的第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.3.1晶体二极管的模型晶体二极管的模型v数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式)1e (TS VVII理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：)1e (TSS nVIrVII其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I 正常时：正常时：n 1I 过小或过大时：过小或过大时：n 2rS 体电阻体电阻 + 引线接触电阻引线接触电阻 + 引线电阻引线电阻注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际漏电流的影响，实际 IS 理

25、想理想 IS。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管v曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I /mAV/VVD(on) IS当当 V VD(on) 时时 二极管二极管导通导通当当 V 0，则管子导通；反之截止，则管子导通；反之截止实际二极管：若实际二极管：若 V VD(on)，管子导通；反之截止，管子导通；反之截止n当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通，其余管子需重新分析其工作状态。优先导通，其余管子需重新分析其工作状态。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管例例 2设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求 VAO 值。值。图

26、图( (a) )，假设，假设 D 开路，则开路，则 D 两端电压：两端电压： VD = V1 V2 = ( 6 12)V = 18 V 0 V， VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。 由于由于 VD2 VD1 ，则，则 D2 优先导通优先导通。此时此时 VD1 = 6 V 2 V 时，时，D 导通，则导通，则 vO = vivi 2 V 时，时，D 截止，则截止，则 vO = 2 V由此可画出由此可画出 vO 的波形的波形+-DV+-+-2 V100 Rvo ovit62OVi/VVo o/VtO26第第 1 章晶体二极管章晶体二极管v 小信号分析法小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步