第1章常用半导体器件

第1章半导体二极管及其基本电路

1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3二极管基本电路及其分析方法1.4特殊二极管1.1半导体的基本知识1.1.1半导体1.1.2PN结根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。1本征半导体及其导电性本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。

(1）本征半导体的共价键结构

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图1.1。

图1.1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)

（2）电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1.2所示。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图1.2本征激发和复合的过程（动画1-1）

(3)空穴的移动

在外电场的作用下，

自由电子的定向运动形成电子电流；空穴的定向运动也可形成空穴电流。它们的方向运动相反。只不过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。见图1.3的动画演示。（动画1-2）图1.3空穴在晶格中的移动注意：载流子自由电子空穴半导体不同于金属的显著特点2

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。（1）N型半导体（2）P型半导体

(1）N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。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,由本征激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子。N型半导体的结构示意图如图1.4所示。图1.4N型半导体结构示意图(2)P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。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。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；

电子是少数载流子，由本征激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。P型半导体的结构示意图如图1.5所示。图1.5P型半导体的结构示意图

图1.5P型半导体的结构示意图漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。半导体的载流子运动和温度特性一、载流子的运动二、杂质对半导体导电性的影响

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/cm31.1.2PN结1、PN结的形成2、PN结的单向导电性3、PN结的电容效应1PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的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。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。

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。

图1.6PN结的形成过程（动画1-3）PN结形成的过程可参阅图1.6。2PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

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结处于导通状态）；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流（PN结处于截止状态）。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

一是势垒电容CB，

二是扩散电容CD。

(1)势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图1.9。图1.9势垒电容示意图

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.10所示。

图1.10扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的参数1.2.1半导体二极管的结构类型

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。它们的结构示意图如图01.11所示。(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)点接触型图01.11二极管的结构示意图

图01.11二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。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1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线式中IS为反向饱和电流，u为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。

半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示(1.1)图01.12二极管的伏安特性曲线图示材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.6~0.8V0.1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA(1)正向特性硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右。

当0＜u＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。

当u＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当u＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2)反向特性当u＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当UBR＜u＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。

当u<=UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若|UBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|UBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。2、伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移1.2.3半导体二极管的参数

半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———和最大反向工作电压UR

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压UR一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。

(3)反向电流IR

(4)正向压降UF(5)动态电阻rd在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=UF/IF二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应结电容为扩散电容与势垒电容之和。扩散路程中电荷的积累与释放空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放1.3二极管基本电路及其分析方法1.3.1二极管的等效电路1.3.2二极管电路模型分析法1.3.1半导体二极管的等效模型

线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压Uth，约为0.5V，rD的值为200欧。由于二极管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。（4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有uD=UD、iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rd。三、二极管的等效电路

1、将伏安特性折线化理想二极管近似分析中最常用2、微变等效电路Q越高，rD越小。在一直流电压和电流的基础上的低频小信号下的等效电路。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片例1：二极管：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二极管半波整流1.4特殊二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图01.14所示。特殊二极管包括稳压管、光电二极管、发光二极管等，下面着重介绍稳压二极管。1.4.1稳压二极管

图01.14稳压二极管的伏安特性

(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路(b)(c)(a)图示

从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。

(1)稳定电压UZ——(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。

其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rZ=UZ/IZ

(3)最大耗散功率

PZM

——

稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为

PZ=UZIZ，由

PZM和UZ可以决定IZmax。

(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin—————

稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin对应UZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。(5)稳定电压温度系数——VZ

温度的变化将使UZ改变，在稳压管中当UZ

＞7

V时，UZ具有