半 体特性及二极管

封面半导体器件特性及二极管返回四川稻城冲古寺景区引言

半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代，致使电子设备在微型化、可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代高新技术的龙头。本页完

常用的半导体的材料有硅、锗（均为四价元素）、硼、铟（均为三价元素）和磷、砷、锑（均为五价元素）。返回半导体器件特性及二极管学习要点本节学习要点和要求半导体器件特性及二极管半导体的导电作用PN结的形成及特性半导体二极管的结构和V-I特性二极管基本电路及其分析方法几种特殊二极管的作用返回半导体二极管及其基本电路学习主页半导体器件特性及二极管主页使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可。半导体的基本知识PN结的形成及特性半导体二极管参考资料:二极管的参数结束二极管基本电路及其分析方法特殊二极管贵州兴义马岭河大峡谷返回半导体基本知识

一、半导体的共价键结构

1.硅元素的简化原子模型一、半导体的共价键结构

1、硅（锗）元素的简化原子模型半导体的基本知识Si+14硅原子模型原子核Si+4价电子硅原子的简化模型硅元素最外层有4个价电子在简化模型中只画出最外层的4个价电子，因为原子呈中性，所以简化模型中的原子核用带圈的+4符号表示。最外层的电子称为价电子继续惯性核

1、硅（锗）元素的简化原子模型2.半导体的共价键结构一、半导体的共价键结构半导体的基本知识

2、半导体的共价键结构继续每个硅原子都与其它原子共用价电子(其作用称为共价键)，形成一个较为稳定的具有8个电子的原子外围结构，但由于是共用价电子，所以稳定性较差。不含杂质的硅半导体称为硅本征半导体继续

1、硅（锗）元素的简化原子模型2.半导体的共价键结构一、半导体的共价键结构半导体的基本知识

2、半导体的共价键结构继续本页完共用价电子示意图实际上半导体晶体结构是三维的。继续二、本征半导体中的空穴及导电作用

二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续本页完

1、本征半导体中的本征激发

2、空穴的移动本征激发及空穴移动动画当半导体接受外界足够的能量后,价电子挣脱共价键的束缚,成为自由电子,称为本征激发。

二、本征半导体中的空穴及导电作用二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识

1、本征半导体中的本征激发

2、空穴的移动+4-4中性出现一个空穴就意味着少了一个价电子,伴随着出现一个正电荷。继续二、本征半导体中的空穴及导电作用

二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续

1、本征半导体中的本征激发

2、空穴的移动+4-4-3空穴的移动与正电荷移动的方向是相同的,所以在半导体的导电研究中,空穴被等效地看成是带正电的载流子。出现一个空穴原子就带一个正电荷+1出现一个空穴就意味着少了一个价电子,伴随着出现一个正电荷。

二、本征半导体中的空穴及导电作用二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识

1、本征半导体中的本征激发

2、空穴的移动3、在半导体中,参与导电的有电子和空穴两种载流子。+4-4-3空穴自由电子很显然,本征半导体中的空穴与自由电子总是成对出现的。空穴与自由电子越多,本征半导体的导电能力越强。当温度升高时,挣脱束缚的电子显著增多,半导体的导电能力会显著增强。继续本页完

二、本征半导体中的空穴及导电作用三、杂质半导体一、半导体的共价键结构半导体的基本知识三、杂质半导体继续在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。

二、本征半导体中的空穴及导电作用1、P型半导体一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续本页完三、杂质半导体1、P型半导体(空穴导电)产生一个空位掺入3价元素邻近电子受激发填补空位形成空穴每掺入一个3价元素,可产生一个空穴,P型半导体的导电主要靠空穴,所以空穴称为多子。控制掺入3价元素的量可以控制半导体的导电能力。受温度等影响,半导体仍有少量电子受激形成自由电子,但数量很少,称为少子。

二、本征半导体中的空穴及导电作用1、P型半导体一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续本页完三、杂质半导体1、P型半导体(空穴导电)P型半导体的图示每掺入一个3价元素,可产生一个空穴,P型半导体的导电主要靠空穴,所以空穴称为多子。控制掺入3价元素的量可以控制半导体的导电能力。2、N型半导体

二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续本页完三、杂质半导体1、P型半导体(空穴导电)多余一个电子很容易受激发形成自由电子。掺入5价元素每掺入一个5价元素,可产生一个自由电子,N型半导体的导电主要靠自由电子,所以自由电子称为多子。控制掺入5价元素的量可以控制半导体的导电能力。受温度等影响,半导体仍有少量电子受激挣脱束缚,形成空穴,但数量很少,称为少子。2、N型半导体(电子导电)2、N型半导体

二、本征半导体中的空穴及导电作用一、半导体的共价键结构半导体的基本知识继续本页完三、杂质半导体1、P型半导体(空穴导电)+2、N型半导体(电子导电)半导体基本知识学习完毕,单击返回,返回学习主页，单击继续,继续往下学习《PN结的形成及特性》。继续返回N型半导体的图示每掺入一个5价元素,可产生一个自由电子,N型半导体的导电主要靠自由电子,所以自由电子称为多子。控制掺入5价元素的量可以控制半导体的导电能力。PN结的形成及特性

一、PN结的形成一、PN结的形成PN结的形成及特性继续本页完把一块P型半导体与一块N型半导体结合起来。PN在交界面处由于空穴和自由电子浓度不同,各自向浓度低的地方扩散,即空穴向N区扩散,电子向P区扩散。扩散的结果在交界面处形成一个很薄的带电层,带电层产生的内电场方向是阻碍多数载流子继续扩散。但内电场的方向却有利于使各自的少子进入对方区域(称为漂移)。PN结形成动画显示扩散和漂移最终会达到动态平衡,PN结的厚度不再变化。

PN结上的电荷是不可移动的,所以电阻率很高。扩散越强,PN结越厚,PN结的电阻率越高。二、PN结的单向导电

1、PN结的正向连接一、PN结的形成PN结的形成及特性继续二、PN结的单向导电性外电场削弱内电场,PN结变薄,扩散加强,形成电流。即PN结可产生正向连接时可产生正向电流IF。1、PN结的正向连接

电源的正极接P区,负极接N区称为正向连接。

PN结正向连接时可产生正向电流IF。PN结的正向连接动画显示2、PN结的反向连接一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性外电场与内电场同向,PN结更厚,扩散基本不能进行,只有少数载流子的漂移形成电流很小的反向电流IR(正常时只达到微安级)。2、PN结的反向连接电源的正极接N区,负极接P区称为反向连接。继续

PN结反向连接时只能产生很小的反向电流IR。PN结的反向连接动画显示1、PN结的正向连接

电源的正极接P区,负极接N区称为正向连接。

PN结正向连接时可产生正向电流IF。过度页一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性继续2、PN结的反向连接

PN结反向连接时只能产生很小的反向电流IR。1、PN结的正向连接

PN结正向连接时可产生正向电流IF。PN结单向导电总结一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性

PN结正向连接时可产生正向电流IF。2、PN结的反向连接继续本页完总结：PN结的正向电阻很小,反向电阻很大,这就是它的单向导电性。

PN结反向连接时只能产生很小的反向电流IR。1、PN结的正向连接PN结的单向导电性动画显示三、PN结的V-I特性曲线和表达式

PN结的V-I正向特性曲线

PN结一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性三、PN结的V-I特性曲线和表达式继续本页完绘出PN结正向连接时的V-I特性曲线当PN结的正向连接电压从0开始增加时,正向电流IF并不立即出现.当正向电压达到某一数值后Vth后,正向电流才IF开始出现。硅PN结正向电流IF随正向电压的增加而迅速增加。VthPN结的V-I反向特性曲线

PN结一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性三、PN结的V-I特性曲线和表达式继续本页完在此范围内,PN结的伏安特性近似符合此关系式。硅PN结当PN结反向连接时,电压在很大的一段变化范围内,反向电流IR都很小且几乎不变.iD=IS(e-1)vD

/VTVth绘出PN结反向连接时的V-I特性曲线PN结的V-I关系表达式一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性三、PN结的V-I特性曲线和表达式继续本页完iD=IS(e-1)vD

/VT

PN结硅PN结iD——通过二极管的电流IS——二极管的反向饱电流即IRvD——加在二极管两端的电压VT——温度电压当量(26mV)Vth四、PN结的反向击穿

PN结硅PN结一、PN结的形成PN结的形成及特性二、PN结的单向导电性三、PN结的V-I特性曲线和表达式继续本页完四、PN结的反向击穿当PN结反向偏置电压增大至某一数值时,反向电流IR突然增大,称为反向击穿。热击穿：一般二极管反向击穿后，在PN结上产生的热量很大，通常会把PN结烧毁。所以一般二极管不允许工作在反向击穿区间。齐纳击穿:另外一种可以使二极管恢复原状的反向击穿称为齐纳击穿(原理请自行参阅课本)。《PN结的形成及特性》学习完毕,单击返回,返回学习主页，单击继续,继续往下学习《半导体二极管》。继续返回Vth半导体二极管

一、半导体二极管的结构一、半导体二极管的结构半导体二极管继续本页完三价铝丝在触点上产生极小的PN结,只能通过很小的电流。点接触型二极管一般用在频率很高、电流很小的电路中。面结型二极管的PN结接触面较大,可通过较大的电流。面结型二极管一般工作在电流较大的电路中,适用低频电路。平面型二极管的PN

结接触面很大,可用在大电流电路中作整流用,只适用于低频电路。半导体二极管外型图一、半导体二极管的结构半导体二极管面结型二极管一般工作在电流较大的电路中,适用低频电路。几种半导体二极管的外型图平面型二极管的PN结接触面很大,可用在大电流电路中作整流用,只适用于低频电路。继续本页完硅高频检波二极管型号：2CP符号：整流二极管符号：型号：2CZ锗高频检波二极管型号：2AP点接触型二极管一般用在频率很高、电流很小的电路中。二、半导体二极管的伏安特性曲线I(mA)U(V)二极管的伏安特性(A)0-4-2-5-105101520250.20.40.60.8锗管硅管正向特性反向特性VBIS一、半导体二极管的结构半导体二极管继续本页完二、半导体二极管的符号和伏安特性曲线锗管的门坎电压Vth较小,约为0.1V左右。硅管的正向电压超过0.5V后才产生正向电流,此电压一般称为门坎电电压,也可以用Vth表示。VD、D+-半导体二极管电路符号PNVth0.6V(Si)Vth0.1V(Ge)Vth三、半导体二极管的几个主要参数简介

1.最大整流电流IF

2.反向击穿电压VBR

3.反向电流IR一、半导体二极管的结构半导体二极管继续二、半导体二极管的符号和伏安特性曲线三、半导体二极管的几个主要参数简介1.最大整流电流IFM管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.反向击穿电压VBR指管子反向击穿时的电压值3.反向电流IR(sat)管子未击穿时的反向直流电流

IR(sat)的数值愈小，管子的单向导电性能愈好。过度一、半导体二极管的结构半导体二极管继续二、半导体二极管的符号和伏安特性曲线三、半导体二极管的几个主要参数简介2.反向击穿电压VBR1.最大整流电流IFM3.反向电流IR(sat)4.极间电容一、半导体二极管的结构半导体二极管二、半导体二极管的符号和伏安特性曲线三、半导体二极管的几个主要参数简介2.反向击穿电压VBR3.反向电流IR(sat)4.最高工作频率fM二极管具有单向导电性的最高工作频率。继续1.最大整流电流IFM

fM的数值主要由管子的极间电容的大小决定。二极管极间电容的形成可参考康华光编《电子技术基础》模拟部分(第四版)有关章节。考虑极间电容的等效电路一、半导体二极管的结构半导体二极管二、半导体二极管的符号和伏安特性曲线三、半导体二极管的几个主要参数简介考虑了极间电容后,二极管的等效电路如右图所示。继续本页完rC

PN

结电阻,正向偏置时为正向电阻,反向偏置时为反向电阻。

PN结的极间电容很显然,若C较大而电路的工作频率又较高,由电容器的特性知二极管将失去单向导电性的功能。二极管的其它参数可返回学习主页后进入《二极管的参数》部分浏览。单击返回,返回学习主页，单击继续,继续往下学习。继续返回2.反向击穿电压VBR1.最大整流电流IFM3.反向电流IR(sat)4.最高工作频率fM二极管基本电路及其分析方法

一、半导体二极管正向V-I特性建模

1.理想模型一、半导体二极管正向V-I特性建模二极管基本电路及其分析方法1.理想模型二极管处于正向偏置而导通时其压降为0,可认为二极管处于短接状态；二极管处于反向偏置时电阻为无穷大,电流为0,可认为二极管处于断路状态。继续本页完正向导通时的理想模型－ＶD=0+－PN+－PN－++反向截止时的理想模型当电源电压远大于二极管的管压降(一般是0.7V左右)时,可使用理想模型分析电路。2.恒压降模型一、半导体二极管正向V-I特性建模二极管基本电路及其分析方法2.恒压降模型当二极管处于正向偏置后,可认为管压降为一恒量(通常取值为0.7V)。恒压降模型：一个理想二极管串接一个0.7V的电源。－+－PN+iD0.7V0.7V继续本页完恒压降模型伏安特性曲线一般当二极管的正向电流IF≥1mA时可使用本模型。1.理想模型I(mA)U(V)二极管的伏安特性(A)0-4-2-5-105101520250.20.40.60.83.折线模型一、半导体二极管正向V-I特性建模二极管基本电路及其分析方法当二极管处于正向偏置后,二极管两端的电压随通过二极管的电流的变化而作线性变化3.折线模型rD继续本页完二极管实际伏安特性曲线折线模型伏安特性曲线iD0.5V－+－PN+iD2.恒压降模型1.理想模型折线模型：一个理想二极管串接一个0.5V的电源和一个相当于二极管正向偏置时的电阻rD。I(mA)U(V)二极管的伏安特性(A)0-4-2-5-105101520250.20.40.60.8Vth0.6V(Si)Vth0.1V(Ge)Vth4.小信号模型一、半导体二极管正向V-I特性建模二极管基本电路及其分析方法当二极管工作在小信号范围内时,由伏安特性曲线可知,其工作范围可看成是一条直线当二极管工作在小信号状态时可用此法求出其正向导通时的交流电阻。继续本页完此时二极管的正向电阻rD(亦称交流电阻)可用直角三角形求出。4.小信号模型vDiD小信号交流电阻rD=vD

/iD－+－PN+iD沿工作点作一切线单击资料，可观看二极管交直流电阻图解；单击返回,返回学习主页，单击继续,继续往下学习。继续返回资料3.折线模型2.恒压降模型1.理想模型I(mA)U(V)二极管的伏安特性(A)0-4-2-5-105101520250.20.40.60.8Vth0.6V(Si)Vth0.1V(Ge)Vth特殊二极管

一.稳压二极管

稳压二极管实物图特殊二极管继续一、稳压二极管稳压二极管型号：

2CW14符号：主要参数：

250mW6V实物图稳压二极管的稳压原理VZIZVZI/mA8400.40.81.2V-4-8特殊二极管继续本页完一、稳压二极管稳压二极管是一种比较特殊的二极管，正常工作时是加上反向电压的，它工作在反向击穿的区域。