模拟电子技术：第二章 半导体二极管及其基本电路

1、2 半导体二极管及其基本电路重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动重点难点2 半导体二极管及其基本电路2.1 半导体的基本知识2.3 半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管2.2 PN结的形成及特性2.1 半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体 2.1.1 半导体材料 一、物体的导电特性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体：介于导体与绝缘体之间，如：典型的半导体有硅Si和锗Ge

2、以及砷化镓GaAs等。二、半导体的特点1、光敏性和热敏性: 2、掺杂性：2.1.3 本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。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。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子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，

3、常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价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（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征半导体的导电机理

4、+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 2.1.3 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。空穴的移动温度越高，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。本征半导体中

5、电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 2.1.4 杂质半导体 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。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 1. N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。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂

6、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施主杂质。 2. P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个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 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。三价杂质 因而也称为受主杂质。 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质2.2 PN 结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿 2.2.1 PN结的形成图2.2

7、.1 PN结的形成PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡3 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 2.2.2 PN结的单向

8、导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流PN结的伏安特性 2.2.2 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结的伏安特性 小结： PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流

9、； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 2.2.2 PN结的单向导电性 (3) PN结V- I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K） 2.2.3 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆2.3 半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数 2.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管

10、。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图(3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4) 二极管的代表符号半导体二极管图片附 录半导体二极管图片附 录半导体二极管图片附 录 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性 2.3.3

11、 二极管的参数(1) 最大整流电流IF(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3) 反向电流IR(4) 正向压降VF(5) 极间电容CB 2.4.2 应用举例开关电路电路如图所示，求AO的电压值解： 先断开D，以O为基准电位，既O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。练习：P60 2.4.3 (b) (c) (d)小 结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利

12、用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。 PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。 晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能 常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(e U/UT-1).硅管：当UD0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时

13、注意加限流电阻。 晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。小 结2.5 特殊体二极管 2.5.1 稳压二极管 2.5.2 变容二极管 2.5.3 光电子器件1. 光电二极管2. 发光二极管3. 激光二极管2.5.1 稳压二极管1. 符号及稳压特性(a)符号(b) 伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin2. 稳压二极管主要参数2.5.1 稳压二极管2.5.1 稳压二极管3. 稳压电路正常稳压时 VO =VZ# 稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以吗？# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？特殊类型的二极管 变容二极管利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：使用时，应加反向电压光 电 二 极 管 定义：有光照射时，将有电流产生的二极管 类型：PIN型、PN型、雪崩型 结构：和普通的二极管基本相同 工作原理：利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自