模电第1章半导体二极管及其应用电路

1、第1章 半导体二极管及其应用电路,1.1 半导体的导电特性,1.2 PN结的形成及特性,1.3 二极管,1.4 特殊二极管,1.1 半导体的导电特性,1.1.1 本征半导体及其导电特性,1.1.2 N型半导体,1.1.3 P型半导体,1.1 半导体的导电特性,1. 导体：电阻率 109 cm的物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。,通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变。,半导体具有以下特性：,(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏元件。 (2)

2、光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光电器件。 (3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。,1.1.1 本征半导体及其导电特性,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,硅和锗的晶体结构,四价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。,简化模型,电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,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

3、。,价电子,共价键,在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,自由电子,空穴,当温度升高或受光照时 ，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,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的浓度等于空穴的浓度。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。在一定

4、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 N型半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 五价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,常用的 五 价杂质元素有磷、锑、砷等。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,本征半导体掺入 五价元素后，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

5、子。,电子称为多数载流子,空穴称为少数载流子,五价杂质原子称为施主原子。,1.1.3 P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 三价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,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。,三价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,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. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 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,1.2 PN结的形成及特性,1.2

6、.1 PN结的形成,1.2.2 PN结的单向导电性,1.2.3 PN结的电容效应,1.2.1 PN结的形成,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。,PN 结的形成,一、 PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 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。,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电压势垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 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。,

7、5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，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至几十微米；,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。,电压势垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V,锗材料约为(0.2 0.3) V。,总结: 在一块本征半导体在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。,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 ,

8、1.2.2 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。,形成正向电流,多子向PN结移动,空间电荷变窄内电场减弱,扩散运动大于漂移运动,PN结在外加正向电压时的情况,外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. 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。,反相偏置的PN结,反

9、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。,形成反向电流,多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强,漂移运动大于扩散运动,PN结外加反向电压时的情况,外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用,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。,1.2.3 PN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

10、荷区的离子薄层形成的。,势垒电容示意图,势垒电容具有非线性，其值除了与外加电压还与结面积、半导体的介电常数等有关。,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。,扩散电容示意图,若外加正向电压不同，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，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性

11、电容。,势垒、扩散电容都与结面积S成正比。 点接触二极管的结面积很小，CB、CD都很小，只有0.5至几皮法。 面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CB、CD约在几皮法至200皮法。 在等效电路中，CB和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即 C=CB+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CCD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CCB。,1.3 二极管,1.3.1 二极管的基本结构,1.3.2 二极管的伏安特性,1.3.3 二极管的参数、型号及选择,1.3.4 二极管的分析方法,1.3.5 二极管的应用,1.3.1 二极管的基本结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管

12、按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(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。,(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,(4) 二极管的代表符号,半导体二极管图片,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，i = f (u ) 关系曲线。,正向特性,反向特性,1.3.2 二极管的伏安特性,导通压降: 硅管0.6-0.7V 锗管0.2-0.3V,死区电压:当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。硅管0

13、.5V、锗管0.1V,硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线,硅管特性曲线,锗管特性曲线,1. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管在 0.5 V 左右，锗管在 0.1 V 左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2. 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,称为反向饱和电流。,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；,这种现象称为击穿，对应电压称为反向击穿电压。,3.反向击穿特性,雪崩击

14、穿：,雪崩击穿和齐纳击穿,形成电子空穴对（碰撞电离）,通过PN结的少子获得能量大,与晶体中原子碰撞使共价键的束缚 电荷挣脱共价键,PN结反向高场强,载流子倍增效应,齐纳击穿：,形成电子空穴对,直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来,PN结电场很大,很大反向电流,齐纳击穿需要很高的场强：2105 V/cm,只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此条件齐纳二极管（稳压管）,电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。,热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿不可逆。,热击穿和电击穿

15、,雪崩击穿、齐纳击穿可逆。,4. 伏安特性的数学表达式(二极管方程),从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,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（相当于T=300 K），则有UT=26 mV。,1.3.3 二极管的参数、型号及选择,(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。通常将击穿电压 UBR 的一半定义为

16、 UR 。,(3) 反向电流 IR,反向电流IR是指在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流值,通常希望 IR 值愈小愈好。,1.二极管的参数,(4) 最高工作频率 fM,是二极管工作的上限截止频率。fM 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,2.半导体二极管的型号,2A P 7,用数字代表同类型器件的序号 用字母代表器件的类型，P代表普通管 A代表N型Ge，B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si 2代表二极管，3代表三极管,2AP7代表N型Ge材料普通二极管,3. 选择二极管的一般原则 (1)要求导通后正向压降小者选锗

17、管；要求反向电流小者选硅管。 (2)要求工作电流大者选面接触型；要求工作频率高者选点接触型。 (3)要求反向击穿电压高者选硅管。 (4)要求温度特性好或耐高温者选硅管。,1.3.4 二极管的分析方法,1. 理想模型,二极管承受正向电压时，其管压降为零，相当于开关闭合。,二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开。,2恒压降模型,二极管承受正向电压导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变化，具有这种特性的二极管也叫做实际二极管,二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开,0.2V,例1.3.1 电路如图1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻R1k，E3

18、V。 (1)试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。 (2)当二极管VD反接，电路如图1.3.7(b)所示，试分别用两种模型求UR的值。,图1.3.7(a),图1.3.7(b),例1.3.2 电路如图1.3.9所示，其中El7V，E25V，E36V，设二极管的导通电压0.6V。分别估算开关S在位置1和位置2的输出电压UO的值。,开关S置于位置1时,UO=E36V,开关S置于位置2,UO=E2+0.6(5+0.6)V=5.6V,图1.3.9,1.3.5 二极管的应用,1整流电路,2二极管限幅电路,3. 在数字电路中的应用,(1) uA=3V，uB=0V,uY=uA0.7=2.3V,(2) uA=

19、3V，uB=3V VD1、VD2都导通，uY=uA0.7=2.3V,VD1先导通,VD2截止,(3) uA=0V，uB=0V VD1、VD2都导通，uY=0.7V,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压二极管,1.4.2 光电二极管,1.4.3 发光二极管,1.4.4 变容二极管,1.4.1 稳压二极管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管，简称稳压管。,稳压管工作于反向击穿区。,(b)稳压管符号,(a)稳压管伏安特性,1稳压管的伏安特性,2.稳压管的主要参数,(1) 稳定电压 UZ,(3) 动态电阻 rZ,(2) 稳定电流 IZ,稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。,正常工作的参考电流。I I

20、Z ，只要不超过额定功耗即可。,rZ 愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大， rZ 值愈小。,IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 ,(4) 电压温度系数 U,稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定电压变化的百分比。, UZ 7 V, U 0；UZ 4 V，U 0。 UZ 在 4 7 V 之间，U 值比较小，性能比较稳定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V，U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V，U = -(0.05 0.03)%/,(5) 额定功耗 PZ,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ = UZIZ,注意:稳压二极

21、管通常工作在反向击穿区，使用时应串入一个电阻，电阻起限流作用，以保证稳压管正常工作，此电阻被称为限流电阻。,例 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适。,解,使用稳压管需要注意的几个问题：,稳压管电路,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；,2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,1.4.2 光电二极管,光电二极管又称光敏二极管，特点是PN结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光电二极管的外型如下图所示。,1. 光电二极管的特性曲线,光电二极管工作时，在电路中处于反向偏置,在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系。,当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流。,2. 光电二极管的主要参数 (1)最高反向工作电压URM 在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压。 (2)暗电流ID 是指光电二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的