第三章-半导体二极管及其基本应用电路

第一章

半导体二极管及其基本应用电路1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.1半导体的特性

1.导体：电阻率

<10-4

·

cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。

2.绝缘体：电阻率

>109

·

cm物质。如橡胶、塑料等。

3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体导电性能是由其原子结构决定的。常用半导体材料：硅、锗硅原子结构图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图最外层电子称价电子价电子+4(b)简化模型1.1.1

本征半导体

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动

电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni

和pi表示，显然ni

=pi

。

4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。

5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.4

N型半导体的晶体结构N型半导体N型半导体中的载流子是什么？？思考N型半导体导电能力跟什么有关系？N型半导体中导电依然是靠自由电子和空穴，自由电子浓度大，主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，导电能力越强。二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。受主原子空穴图1.1.5

P型半导体的晶体结构思考P型半导体导电能力跟什么有关系？P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴浓度越高，导电能力越强。总结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式。3、无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量

（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba可以认为，杂质半导体中多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，所以掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度。说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。

3.杂质半导体的表示方法如下图所示。

2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图1.1.6杂质半导体的的简化表示法定量分析温度对少子浓度的影响温度一定时，原本征半导体载流子浓度ni的平方等于掺杂后自由电子浓度n0和空穴浓度p0的乘积在一片硅片中掺入五价砷，浓度T=300时求温度升高到T=400时少子浓度值已知T=400时1.2半导体二极管1.2.1

PN结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图1.2.1

PN结的形成导体中只有自由电子一种载流子，在电场作用下形成定向漂移电流。由于半导体中有自由电子和空穴两种载流子，他们在电场作用下形成漂移电流，在浓度差作用下形成扩散电流。一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。图1.2.1PN2.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。

3.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层图1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，内电场增强，从而扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。1扩散运动形成P-N的扩散电流Id（多子扩散）2扩散运动使PN接触面产生空间电荷区，产生N-P的内电场，方向与Id相反，阻止扩散，促进漂移3N-P漂移电流It（少子漂移）4多子继续扩散，空间电荷区变宽，内电场增强，阻止扩散增进漂移，直到Id=It，达到动态平衡。PN二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN2.PN结外加反向电压(反偏)空间电荷区图1.2.3反相偏置的PN结PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I

；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。PN结的电流方程PN结的伏安特性604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性PN结的电容效应1势垒电容：空间电荷量随外加电压变化产生的电容—变容二极管因其电荷量储存在势垒区（空间电荷区）而得名2扩散电容：扩散电流随外加电压变化产生的电容因扩散电流产生而得名3结电容：二者之和PN结的击穿特性1雪崩击穿：掺杂浓度低，反向电压高，束缚在共价键中的价电子被碰撞出来，进而在碰撞相邻的价电子，如此连锁反应像雪崩一样PN结的击穿特性2齐纳击穿：掺杂浓度高，反向电压低，由于阻挡层比较窄，很小的电压就能建立很强的电场，电场的作用把价电子从共价键中拉出来。击穿的应用PN结一旦被击穿，反向电流急剧增大，而端电压几乎维持不变-稳压管1.2.2

二极管将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极，就构成了二极管。二极管的结构：(a)外形图半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号图1.2.4二极管的外形和符号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二极管的结构

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)面接触型二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f

(U

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性开启电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0图1.2.4二极管的伏安特性1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫开启电压。范围称死区。开启电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性开启电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过开启电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大，成指数规律变化。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)3.伏安特性表达式(二极管方程)IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，

UT

26mV二极管加反向电压，即U<0，且|U|

>>UT，则I

-IS。二极管加正向电压，即U>0，且U>>UT

，则，可得，说明电流I与电压U

基本上成指数关系。1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR工作时允许加在二极管两端的反向电压值。3.反向电流IR二极管未击穿时的反向电流，通常希望IR

值愈小愈好。？IR

越小说明单向导电性越好二极管的单向导电性

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管的简化模型1理想二极管2折线二极管

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。

二极管电路分析举例分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D6V12V3k

BAUAB+–理想二极管：二极管可看作短路，UAB=－6V折线二极管，ud=0.7v，UAB为－6.7Ｖui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––二极管基本应用电路1整流电路2开关电路3稳压管4发光管1半波整流电路+-U0+-Ui2开关电路二极管基本应用电路

稳压二极管1.符号稳压二极管工作于反向击穿状态，当反向电压撤去后，管子还是正常的，称可逆性击穿。+—UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。UIOVDZR使用稳压管需要注意的几个问题：图1.2.13稳压管电路UOIO+IZIRUI+

1.

外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL

2.

稳压管应与负载电阻RL

并联