半导体二极管-半导体的基础知识

第一章半导体二极管§1.1半导体的基础知识一、本征半导体1．导电材料分类：导体：电的良导体，如纯金属及其合金、酸碱盐水溶液等。绝缘体：电的不良导体，如陶瓷、橡胶等。半导体：

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓等。2．本征半导体：纯净的晶体结构完整的半导体。如硅、锗单晶体。（均为4价元素）本征半导体：四价元素外层四个电子原子实或惯性核为原子核和内层电子组成价电子为相邻两原子所共有+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激发电子空穴成对产生自由电子（带负电-e)空穴（带正电+e)

3.本征激发：4.载流子：自由运动的带电粒子：电子带负电：

－e=-1.6×10-19c,

空穴带正电:

e=1.6×10-19c.

+4+4+4+4+4+4+4+4+4复合（电子空穴对成对消失）5.复合：

自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。E外电子电流:IN空穴电流:IP6.漂移：自由电子在电场作用下沿电场的反方向定向运动形成电子电流IN。共有电子的递补运动，相当于空穴沿电场的方向运动形成空穴电流IP。共有电子递补运动

7.

两种载流子:电子(自由电子)和空穴。

8.

两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动；空穴(在共价键以内)的运动。结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。二、杂质半导体在本征半导体中参入微量杂质元素可提高半导体的导电能力，参杂后的半导体称为杂质半导体。根据参入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。1.N型半导体和P型半导体电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为多数载流子电子为少数载流子2.杂质半导体的导电性能:主要取决于多子浓度，而多子浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大且稳定，因此导电性能得到明显提高。少子浓度主要与本征激发有关，对温度敏感，温度升高，其值增大。电子电流空穴电流三、PN结1.PN结（PNJunction）的形成P区和N区交界面处形成的区域称为PN结。形成原因主要有以下三个：(1)载流子的浓度差引起多子的扩散(2)复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)(3)扩散和漂移达到动态平衡

扩散运动是浓度差决定的自然现象；漂移运动则是电场作用下产生的。

2.PN结的单向导电性（1）正向偏置：P区接高电位，N区接低电位，简称PN结正偏。PN结正偏:外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子-I少子≈I多子PN结处于导通状态且呈低阻特性。（2）反向偏置：P区接低电位，N区接高电位，简称PN结反偏。PN结反偏：外电场使多子子背离PN结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子≈0PN结处于截至状态且呈高阻特性。结论：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。3.PN结的击穿特性（5）齐纳击穿：由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。（1）反向击穿：当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。（2）电击穿：反向击穿后，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，PN结一般不会损坏。若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿；（3）热击穿：若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。（4）雪崩击穿：当反向电压足够大时，PN结的内电场加强，使少子漂移速度加快，动能增大，通过空间电荷区与原子相撞，产生很多的新电子-空穴对，这些新产生的电子又会去撞击更多的原子，这种作用如同雪崩一样，使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，因为这种PN结的阻挡层宽，因碰撞而电离的机会就多。一、半导体二极管的结构和类型

构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：阳极（正极）阴极（负极）分类：1.根据材料

硅二极管、锗二极管2.根据结构

点接触型、面接触型、平面型1．二极管的结构和符号二极管常见外型图：§1.2二极管的特性及主要参数

二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。二极管电流ID随外加于二极管两端的电压uD的变化规律

，称为二极管的伏安特性曲线。二、二极管的伏安特性1．二极管的伏安特性曲线2.PN结的伏安方程：3.二极管的伏安特性a.当外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门坎，因此将电压Uth称为门槛电压(又称死区电压)。在室温下硅管Uth≈0.5V，锗管Uth≈0.1V。b.当外加正向电压大于Uth后，PN结的内电场大为削弱，二极管的电流随外加电压增加而显著增大，电流与外加电压呈指数关系.（1）正向特性：导通电压:正向压降:硅管约为0.6～0.8V;锗管约为0.1～0.3V;用UD(ｏn)表示。uD＜UD(ｏn)时：iD很小，二极管截止；工程上一般取：硅管UD(ｏn)=0.7V，锗管UD(ｏn)=0.2V。a.反向击穿类型：

电击穿—PN结未损坏，断电即恢复。

热击穿—PN结烧毁。（2）反向特性：二极管两端加上反向电压时，反向饱和电流IS很小（室温下，小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1μA。（3）反向击穿特性二极管两端反向电压超过U(BR)时，反向电流IR随反向电压的增大而急剧增大，

U(BR)称为反向击穿电压。b.反向击穿原因：齐纳击穿(Zener)：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。(4)温度对二极管特性的影响

温度对二极管的特性有显著影响。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降约减小2-2.5mV。三、二极管的主要参数IF—最大整流电流(最大正向平均电流)

URM—最高反向工作电压，为U(BR)/2IR—反向电流(越小单向导电性越好)

fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。一、理想二极管及二极管特性的折线近似理想二极管：正向偏置时导通，电压降为零；反向偏置时截止，电流为零；反向击穿电压为无穷大。将二极管的伏安特性曲线用两段直线来逼近，称为二极管特性曲线折线近似。1.理想二极管模型2.二极管的恒压降模型忽略二极管的导通电阻rD的二极管特性曲线和等效电路,称为二极管恒压降模型.如下图所示.§1.3二极管电路的分析方法

3.二极管的折线近似模型

外加电压远大于二极管的导通电压UD(on)时,忽略UD(on)的影响,将二极管的特性曲线用从坐标原点出发的两段折线逼近,称为二极管的折线模型.4.直流电阻：QIDUD5.交流电阻：例1、二极管为硅管，其中R=3k，试分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=3V和VDD=10V时IO和UO的值。

解：1、VDD=3V

（1）理想：UO=VDD=3V；IO

=VDD/R=3/3=1(mA)

（2）恒压降：UO=VDD–UD(on)=30.7=2.3(V)

IO

=UO/R=2.3/3=0.77(mA)

2、VDD=10V

（1）理想:

IO=VDD/R=10/3=3.33(mA)

（2）恒压降:

UO=VDD–UD(on)

=100.7=9.3(V)

IO=UO/R=9.3/3=3.1(mA)

结论：VDD大，采用理想模型；VDD小，采用恒压降模型。例2

试求电路中电流I1、I2、IO及输出电压UO的值。

解：假设二极管断开

UP=15V

输入电压理想二极管输出电压UOVAVBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V3V正偏导通反偏截止0V3V0V反偏截止正偏导通0V3V3V正偏导通正偏导通3V归纳：1、理想二极管：

正偏导通，电压降为零，相当于开关闭合；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。2、恒压降模型：

正偏电压>UD(on)时导通，等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开。一、稳压二极管

1.稳压二极管的伏安特性:反向击穿区，且为工作区。正向运用：相当于导通二极管VZ=0.7V反向运用：VZ=V反，起稳压作用§1.4特殊二极管

2、稳压二极管主要参数（1）稳定电压UZ。稳定电压指流过规定电流时稳压二极管两端的反向电压值。（2）稳定电流IZ。稳定电流是稳压二极管稳压工作时的参考电流值，通常为工作电压等于UZ时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差，若低于IZmin时，稳压管将失去稳压作用。(3)最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。PZM和IZM是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，PZM=IZMUZ。(4)动态电阻rZ。动态电阻是稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，即反向击穿特性越陡，稳压性能就越好。(5)电压温度系数CT。电压温度系数指温度每增加1℃时，稳定电压的相对变化量，即CT=ΔUZ/UZΔT×100%例1.试分析如图所示简单稳压电路的工作原理，其中R为限流电阻。分析：

IR=IZ+IL

UO=UI–IRR

当UI波动时（RL不变）IZUOUIIRUO增减相消当RL变化时（UI不变）RLUOIZIRUO减增相消例2、图中信号电源电压为正弦电压，设二极管是理想二极管，试画出电路的输出电压。解：ui=Uimsinωtui正半周，VD导通，uo=uiUi负半周，VD截止，uo=0例3、图中信号电源电压为正弦电压ui=5sinωt(V)，二极管为理想二极管，试画出电路的输出电压。解（1）ui正半周：V2截止，ui<3V时V1不导通，uo=ui;ui>3V时V1导通，uo=3V.(2)ui负半周：V1截止，︱ui︱<3V时