模拟电子技术基础第六章半导体二极管及其应用电路

6.1半导体材料

6.1.1本征半导体

N型半导体

6.1.3P型半导体1当前第1页\共有65页\编于星期一\4点

6.1半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。2当前第2页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体锗：1886年2月，德国化学家Winkler向德国化学协会作了关于发现锗报告，并将此元素命名为Germanium以纪念其祖国Germany。锗在地壳中含量为0.0007%，较金、银、铂的含量均高，由于资源分散，增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。3当前第3页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体硅：1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的，这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。4当前第4页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构5当前第5页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。在绝对温度零度(即0K，相当于-273℃)，且无外界激发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。

当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。6当前第6页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体空穴——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。7当前第7页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体本征激发

动画8当前第8页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体空穴的运动

动画9当前第9页\共有65页\编于星期一\4点6.1.1本征半导体本征半导体特点：电子浓度＝空穴浓度

缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素，导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体，统称为杂质半导体。

10当前第10页\共有65页\编于星期一\4点6.1.2N型半导体在硅(或锗)晶体中掺入少量的5价元素，如磷（P），则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。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,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。11当前第11页\共有65页\编于星期一\4点6.1.2N型半导体12当前第12页\共有65页\编于星期一\4点6.1.3P型半导体在硅(或锗)晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替。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。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。13当前第13页\共有65页\编于星期一\4点6.1.3P型半导体14当前第14页\共有65页\编于星期一\4点杂质对半导体导电性的影响小结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/cm315当前第15页\共有65页\编于星期一\4点6.2PN结的形成及特性

PN结的单向导电性

6.2.3PN结的电容效应

PN结的反向击穿

6.2.1PN结的形成16当前第16页\共有65页\编于星期一\4点6.2.1PN结的形成17当前第17页\共有65页\编于星期一\4点在一块本征半导体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。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区18当前第18页\共有65页\编于星期一\4点6.2.1PN结的形成19当前第19页\共有65页\编于星期一\4点6.2.1PN结的形成对于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。20当前第20页\共有65页\编于星期一\4点6.2.1PN结的形成PN结的形成

动画21当前第21页\共有65页\编于星期一\4点6.2.2PN结的单向导电性

如果外加电压使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；

PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。

P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。22当前第22页\共有65页\编于星期一\4点外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况6.2.2PN结的单向导电性23当前第23页\共有65页\编于星期一\4点6.2.2PN结的单向导电性PN结加正向电压动画24当前第24页\共有65页\编于星期一\4点

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。

PN结加反向电压时的导电情况6.2.2PN结的单向导电性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。25当前第25页\共有65页\编于星期一\4点6.2.2PN结的单向导电性PN结加反向电压动画26当前第26页\共有65页\编于星期一\4点

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。27当前第27页\共有65页\编于星期一\4点6.2.2PN结的单向导电性

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）:28当前第28页\共有65页\编于星期一\4点6.2.3PN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CD29当前第29页\共有65页\编于星期一\4点6.2.3PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。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。势垒电容示意图30当前第30页\共有65页\编于星期一\4点6.2.3PN结的电容效应(2)扩散电容CD

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。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。31当前第31页\共有65页\编于星期一\4点6.2.3PN结的电容效应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相同，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。32当前第32页\共有65页\编于星期一\4点6.2.4PN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33当前第33页\共有65页\编于星期一\4点6.3半导体二极管

半导体二极管的结构

二极管的伏安特性

二极管的主要参数34当前第34页\共有65页\编于星期一\4点6.3.1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、面接触型两大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管结构示意图

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。35当前第35页\共有65页\编于星期一\4点（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号

(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36当前第36页\共有65页\编于星期一\4点6.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性37当前第37页\共有65页\编于星期一\4点6.3.2二极管的伏安特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。

当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。

当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。38当前第38页\共有65页\编于星期一\4点6.3.2二极管的伏安特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当VBR＜V＜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V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。39当前第39页\共有65页\编于星期一\4点6.3.2二极管的伏安特性

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。40当前第40页\共有65页\编于星期一\4点6.3.2二极管的伏安特性温度对二极管伏安特性曲线的影响41当前第41页\共有65页\编于星期一\4点6.3.3二极管的主要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VBR——和最大反向工作电压VRM

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VBR。

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。42当前第42页\共有65页\编于星期一\4点6.3.3二极管的主要参数(4)正向压降VF(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=VF/IF(3)反向电流IR43当前第43页\共有65页\编于星期一\4点半导体二极管图片44当前第44页\共有65页\编于星期一\4点6.4

二极管电路分析方法

6.4.1图解分析方法

6.4.2简化模型分析方法45当前第45页\共有65页\编于星期一\4点6.4.1图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。46当前第46页\共有65页\编于星期一\4点例1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点47当前第47页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型48当前第48页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型49当前第49页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。vs=Vmsint时（Vm<<VDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。50当前第50页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型过Q点的切线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）（a）V-I特性（b）电路模型51当前第51页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型

特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）电路模型52当前第52页\共有65页\编于星期一\4点6.4.2二极管电路的简化模型分析方法2．模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图（b）vs和vo的波形53当前第53页\共有65页\编于星期一\4点2．模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k）当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）设当VDD=1V时，（自学）（a）简单二极管电路（b）习惯画法54当前第54页\共有65页\编于星期一\4点2．模型分析法应用举例（3）限幅电路

电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。55当前第55页\共有65页\编于星期一\4点2．模型分析法应用举例（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。56当前第56页\共有65页\编于星期一\4点2．模型分析法应用举例（6）小