数电半导体二极管

数电半导体二极管第1页，共33页，2023年，2月20日，星期六问：梦幻五环由什么材料构成？问：半导体材料为什么会发光？答：发光二极管(LED)构成，属于半导体材料。答：通电后，半导体中的空穴与电子复合，释放能量，从而发光。第2页，共33页，2023年，2月20日，星期六3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的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3.二极管及其基本电路第3页，共33页，2023年，2月20日，星期六一、半导体的特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

1.光敏、热敏特性

2.掺杂特性3.1半导体的基本知识当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。如光敏电阻,热敏电阻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。第4页，共33页，2023年，2月20日，星期六二、本征半导体、空穴及其导电作用1.结构：以Si,Ge为例本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半导体。物理结构上呈单晶体形态。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SiGe第5页，共33页，2023年，2月20日，星期六共价键结构平面示意图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。在硅和锗晶体中，原子按四角形组成晶体点阵，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。2)共价键第6页，共33页，2023年，2月20日，星期六这一现象称为本征激发，也称热激发自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称这个空位为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！3)空穴及其导电作用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。第7页，共33页，2023年，2月20日，星期六空穴的运动第8页，共33页，2023年，2月20日，星期六束缚电子从视为空穴从显然，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。半导体中出现两种载流子自由电子空穴电量相等，极性相反因共价键中出现空穴，在外加电场的作用下邻近束缚电子就会填补到这个空位上，而在这个束缚电子原来位置又会出现新的空穴，以后其他束缚电子又可转移到这，这样就在共价键中出现一定的电荷迁移。第9页，共33页，2023年，2月20日，星期六三、杂质半导体在本征半导体中掺入微量的某种元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型(电子)半导体——掺入五价杂质元素(如磷)

P型(空穴)半导体——掺入三价杂质元素(如硼)第10页，共33页，2023年，2月20日，星期六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。P为Positive的字头。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。因而三价杂质也称为受主杂质。1)P型半导体第11页，共33页，2023年，2月20日，星期六五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。N为Negative的字头。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，故称为施主杂质。2)N型半导体第12页，共33页，2023年，2月20日，星期六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Si的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31即多子»

少子∴半导体导电能力主要由杂质决定

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm33)杂质对半导体导电性的影响第13页，共33页，2023年，2月20日，星期六一、PN结及其单向导电性1.PN结的形成3.2PN结和半导体二极管在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。第14页，共33页，2023年，2月20日，星期六漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期六PN结形成物理过程第16页，共33页，2023年，2月20日，星期六因浓度差促使少子漂移

阻止多子扩散

多子的扩散=少子的漂移即达到动态平衡∵正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间电荷区，所以内电场也称耗尽层、势垒层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区PN结形成物理过程空间电荷区形成内电场0方向从NP稳定的空间电荷区称为PN结第17页，共33页，2023年，2月20日，星期六2.PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压(正偏)当在平衡PN结外加电压时，如果正端接P区，负端接N区，称为加正向（偏置）电压，简称正偏；反之称为加反向（偏置）电压，简称反偏。外加的正向电压E有一部分降落在PN结区，方向与内电场ε0相反，削弱了内电场,使得多子扩散>少子漂移。扩散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流的影响，在外电路上形成流入P区的电流IF，

PN结呈现低阻性，也称PN结导通。∵多子数目很大∴IF很大当E↑，多子扩散加剧→IF↑低电阻，PN结导通大的正向扩散电流(P->N)PN结加正向电压第18页，共33页，2023年，2月20日，星期六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，这个电流称为反向饱和电流IS。且∵少子数目很少∴IS很小(μA级)，PN结呈现高阻性，也称PN结截止。(2)PN结加反向电压(反偏)外加的反向电压E有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场ε0方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻碍作用→0，而使少子漂移↑→反向电流IR

。PN结加反向电压高电阻，PN结截止很小的反向漂移电流(N->P)第19页，共33页，2023年，2月20日，星期六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。结论：PN结具有单向导电性第20页，共33页，2023年，2月20日，星期六(3)PN结V-I特性表达式PN结的伏安特性☆VD为正且VD>>VT☆VD为负且∣VD∣>>VT其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）n——发射系数，1~2第21页，共33页，2023年，2月20日，星期六

(4)PN结的电容效应扩散电容CD（正偏）扩散电容示意图当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。反偏时，扩散电容很小，忽略。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期六势垒电容CB（反偏）第23页，共33页，2023年，2月20日，星期六在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。(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。二、半导体二极管1.分类二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型(a)点接触型

二极管的结构示意图第24页，共33页，2023年，2月20日，星期六(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D第25页，共33页，2023年，2月20日，星期六Si二极管的死区电压Vth=0.5V左右，Ge二极管的死区电压Vth=0.1V左右。

i)

当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区或门坎电压当V＞0即处于正向特性区域，正向区又分为两段：ii)

当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，二极管正向导通。Vth2.二极管的伏安特性(1)正向特性Si管正向导通压降约为0.7V;Ge管正向导通压降约为0.2V。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期六Si二极管的反向饱和电流IS

<1μΑ，Ge二极管的反向饱和电流IS为几个μΑ-十几个μΑ当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且随|V|↑→趋向于饱和IS当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。VBR(2)反向特性热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆(3)反向击穿特性第27页，共33页，2023年，2月20日，星期六3.二极管的主要参数1、最大整流电流IF

是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2、反向击穿电压VBR

是指管子反向击穿时的电压值。手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。3、反向电流IR

是指管子未击穿时的反向电流。其值越小，单向导电性越好。4、极间电容Cd

是反映二极管中PN结电容效应的参数。工作在高频或开关状态时，必须考虑极间电容的影响。5、反向恢复时间TRR

当二极管的外加电压从正偏变为反偏时，反向电流从较大变为正常值所需要的时间。第28页，共33页，2023年，2月20日，星期六4.补充几个概念(1)二极管的箝位作用VIVthD导通后VI理想D：即D导通相当于短路D加反压，I很小且趋向于IS→D截止；理想D时，IS→0→相当于开路或开关断开。即D具有开关作用。(2)如何判断D导通或截止将D断开，测量V阳—V阴>

Vth?是:D导通否:D截止对于理想D，只要V阳>

V阴→导通(且导通后即箝位),否则截止第29页，共33页，2023年，2月20日，星期六(3)关于优先导通(V阳—V阴)大的二极管优先导通且箝位D2:V阳2—V阴2=6v-(-3v)=9vD1:V阳1—V阴1=0v-(-3v)=3vD2优先导通且优先箝位(短路)→VAO=

6v，D1受反压截止例:?第30页，共33页，2023年，2月20日，星期六(1)整流(半波、全波)→利用D的单向导电性半波导通tVViVOV