半导体二极管及其基本应用电路

电子信息教研室南京农业大学3半导体二极管及其基本应用电路3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性电子信息教研室南京农业大学3.1半导体的基本知识

3.1.1

半导体材料

3.1.2

半导体的共价键结构

3.1.3

本征半导体

3.1.4

杂质半导体电子信息教研室南京农业大学§3.1半导体的基本知识3.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。电子信息教研室南京农业大学半导体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：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。电子信息教研室南京农业大学3.1.2

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。电子信息教研室南京农业大学本征半导体：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。电子信息教研室南京农业大学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电子信息教研室南京农业大学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，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电子信息教研室南京农业大学二、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、自由电子和空穴电子信息教研室南京农业大学+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子电子信息教研室南京农业大学2.本征半导体的导电机理+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。电子信息教研室南京农业大学温度越高，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。电子信息教研室南京农业大学1.1.3

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。电子信息教研室南京农业大学一、N型半导体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杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，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，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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。电子信息教研室南京农业大学+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、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，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。电子信息教研室南京农业大学二、P型半导体在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，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。电子信息教研室南京农业大学三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质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。近似认为多子与杂质浓度相等。电子信息教研室南京农业大学

小结本征半导体——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充填空穴来实现的。电子信息教研室南京农业大学

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。电子信息教研室南京农业大学

掺入杂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:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

3.杂质对半导体导电性的影响电子信息教研室南京农业大学

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、受主杂质电子信息教研室南京农业大学3.2PN结的形成及特性

3.2.1

PN结的形成

3.2.2

PN结的单向导电性

3.2.3

PN结的反向击穿

3.2.4

PN结的电容效应电子信息教研室南京农业大学

3.2.1PN结的形成图2.2.1PN结的形成电子信息教研室南京农业大学P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。电子信息教研室南京农业大学漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。电子信息教研室南京农业大学－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0电子信息教研室南京农业大学1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:电子信息教研室南京农业大学

在一块本征半导体的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

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

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。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区电子信息教研室南京农业大学

3.2.2

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。

(1)PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况

低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性电子信息教研室南京农业大学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PN结加反向电压时的导电情况

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。电子信息教研室南京农业大学

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

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。电子信息教研室南京农业大学

3.2.2

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）电子信息教研室南京农业大学

3.2.3

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——可逆电子信息教研室南京农业大学

3.2.4

PN结的电容效应

(1)势垒电容CB势垒电容示意图电子信息教研室南京农业大学

3.2.4

PN结的电容效应(2)扩散电容CD扩散电容示意图{end}电子信息教研室南京农业大学3.3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

二极管的参数实物图片电子信息教研室南京农业大学

3.3.1

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。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电子信息教研室南京农业大学(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)二极管的代表符号电子信息教研室南京农业大学

3.3.2

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电子信息教研室南京农业大学

3.3.3

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{end}电子信息教研室南京农业大学半导体二极管图片电子信息教研室南京农业大学电子信息教研室南京农业大学{end}电子信息教研室南京农业大学3.4

二极管基本电路及其分析方法

3.4.1

二极管V-I特性的建模

3.4.2

应用举例电子信息教研室南京农业大学

3.4.1二极管V-I特性的建模1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型电子信息教研室南京农业大学4.小信号模型

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）

3.4.1二极管V-I特性的建模电子信息教研室南京农业大学

3.4.2应用举例1.二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V时（自看）电子信息教研室南京农业大学例3.4.2提示

3.4.2应用举例2.限幅电路电子信息教研室南京农业大学二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流电子信息教研室南京农业大学二极管的应用举例2：检波tttuiuRuoRRLuiuRuo电子信息教研室南京农业大学3.5特殊体二极管

3.5.1

稳压二极管

3.5.2

变容二极管

3.5.3

光电子器件1.光电二极管2.发光二极管3.激光二极管电子信息教研室南京农业大学3.5.1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。电子信息教研室南京农业大学(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ

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。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax和