半导体二极管及应用电路

半导体二极管及应用电路第一页，共四十九页，2022年，8月28日2.1.1半导体材料

其导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。以及掺杂或制成其它化合物半导体的材料。半导体具有某些特殊性质：如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。2.1半导体基础知识第二章半导体二极管及应用电路第二页，共四十九页，2022年，8月28日2.1.2本征半导体，空穴及其导电作用1.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。第二章半导体二极管及应用电路第三页，共四十九页，2022年，8月28日本征半导体：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：第二章半导体二极管及应用电路第四页，共四十九页，2022年，8月28日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第二章半导体二极管及应用电路第五页，共四十九页，2022年，8月28日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第二章半导体二极管及应用电路第六页，共四十九页，2022年，8月28日2.本征半导体的导电原理在绝对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、自由电子和空穴第二章半导体二极管及应用电路第七页，共四十九页，2022年，8月28日+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第二章半导体二极管及应用电路第八页，共四十九页，2022年，8月28日（2）本征半导体的导电原理+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。第二章半导体二极管及应用电路第九页，共四十九页，2022年，8月28日温度越高，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。第二章半导体二极管及应用电路第十页，共四十九页，2022年，8月28日杂质半导体

（1）N型半导体在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。

杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。第二章半导体二极管及应用电路第十一页，共四十九页，2022年，8月28日

（2）P型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量Ⅲ族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入Ⅲ族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。下图所示（图2-2）

P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

第二章半导体二极管及应用电路第十二页，共四十九页，2022年，8月28日少量掺杂，平衡状态下：ni2=n0·p0

其中，ni

为本征浓度，n0

为自由电子浓度，p0

为空穴浓度温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。★半导体工作机理：杂质是电特性。★Si半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，Si半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度Si半导体才会失去杂质导电特性。（3）杂质半导体的载流子浓度：第二章半导体二极管及应用电路第十三页，共四十九页，2022年，8月28日2.2PN结的形成及特性★PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。▼内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的扩散。电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。2.2.1PN结的形成第二章半导体二极管及应用电路第十四页，共四十九页，2022年，8月28日第二章半导体二极管及应用电路第十五页，共四十九页，2022年，8月28日PN结形成过程分解：第二章半导体二极管及应用电路第十六页，共四十九页，2022年，8月28日2.2.2PN结的单向导电特性

无外接电压的PN结→开路PN结，平衡状态PN结

PN结外加电压时→外电路产生电流

1.正向偏置（简称正偏）PN结

PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）→正偏→正向电流第二章半导体二极管及应用电路第十七页，共四十九页，2022年，8月28日PN结加正向电压的情形第二章半导体二极管及应用电路第十八页，共四十九页，2022年，8月28日第二章半导体二极管及应用电路第十九页，共四十九页，2022年，8月28日－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第二章半导体二极管及应用电路第二十页，共四十九页，2022年，8月28日2.反向偏置（简称反偏）

PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。＊硅PN结的Is

为pA级＊温度T增大→Is第二章半导体二极管及应用电路第二十一页，共四十九页，2022年，8月28日

PN结反向偏置NP+RE－－－－++++内电场变厚_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。外电场第二章半导体二极管及应用电路第二十二页，共四十九页，2022年，8月28日3.PN结的伏安特性（1）PN结的伏安特性曲线第二章半导体二极管及应用电路第二十三页，共四十九页，2022年，8月28日（2）PN结的电流方程PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为：其中Is为反向饱和电流，UT为kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，常温下，T＝300K时，UT可取26mv对于二极管其动态电阻为：第二章半导体二极管及应用电路第二十四页，共四十九页，2022年，8月28日

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。

齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对，致使电流急剧增加。

*击穿并不意味着PN结烧坏。2.2.3PN结的反向击穿

第二章半导体二极管及应用电路第二十五页，共四十九页，2022年，8月28日雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。

对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。

第二章半导体二极管及应用电路第二十六页，共四十九页，2022年，8月28日2.3半导体二极管半导体二极管的几种常见外形第二章半导体二极管及应用电路第二十七页，共四十九页，2022年，8月28日2.3.1半导体二极管的结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：第二章半导体二极管及应用电路第二十八页，共四十九页，2022年，8月28日

伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR第二章半导体二极管及应用电路第二十九页，共四十九页，2022年，8月28日2.3.3.主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。第二章半导体二极管及应用电路第三十页，共四十九页，2022年，8月28日3.反向电流

IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第二章半导体二极管及应用电路第三十一页，共四十九页，2022年，8月28日4.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuD

rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。第二章半导体二极管及应用电路第三十二页，共四十九页，2022年，8月28日5.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。第二章半导体二极管及应用电路第三十三页，共四十九页，2022年，8月28日扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P

区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N第二章半导体二极管及应用电路第三十四页，共四十九页，2022年，8月28日CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd第二章半导体二极管及应用电路第三十五页，共四十九页，2022年，8月28日2.4二极管基本电路

及其分析方法

二极管是一种非线性器件，因而二极管一般要采用非线性电路的分析方法。在此主要介绍模型分析法。

简单的模型便于近似估算，较复杂的模型为借助计算机解题提供基础。第二章半导体二极管及应用电路第三十六页，共四十九页，2022年，8月28日2.4.1二极管正向伏安特性的建模1.理想模型如图所示，在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析。第二章半导体二极管及应用电路第三十七页，共四十九页，2022年，8月28日2.恒压降模型如图所示，当二极管处于正向偏置时，其管压降认为是恒定的，且不随电流而改变，典型值为0.7V。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此，应用也较广。第二章半导体二极管及应用电路第三十八页，共四十九页，2022年，8月28日为了较真实地描述二极管的伏安特性，在恒压降模型的基础上，作一定地修正，即二极管的压降，随电流的增加而增加，可以用一个电源和内阻rD来近似。3.折线模型第二章半导体二极管及应用电路第三十九页，共四十九页，2022年，8月28日4.小信号模型由右图可看出未变电阻rD可直接得出，即我们知道，二极管的伏安特性表达式第二章半导体二极管及应用电路第四十页，共四十九页，2022年，8月28日我们可以得出下式：即rD=UT/ID第二章半导体二极管及应用电路第四十一页，共四十九页，2022年，8月28日2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管；这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿。第二章半导体二极管及应用电路第四十二页，共四十九页，2022年，8月28日（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）（3）动态电阻第二章半导体二极管及应用电路第四十三页，共四十九页，2022年，8月28日稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻