第1章 晶体二极管及其基本电路.ppt

1、第1章 半导体二极管及其应用,11 半导体物理基础知识 12 PN结 13 半导体二极管及其基本电路 14 特殊二极管 ,11 半导体物理基础知识,按导电性能的不同，物质可分为导体(电阻率很小)、绝缘体(电阻率很大)和半导体(电阻率中等)。半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化, 分别称为热敏性, 光敏性和杂敏性。,目前使用最多的半导体材料主要是硅(Si)、锗(Ge)。要理解半导体电子器件工作原理，首先要了解半导体材料的特性。 材料性质与原子结构尤其是最外层价电子密切相关，书P1图1.1.1为

2、硅和锗的原子结构示意图。为了突出价电子，我们采用以下所示的简化半导体原子结构模型。,图1.1.1 c) 原子的简化模型,因为原子核是带正电的,而原子是中性的,所以用+4表示原子核与其它电子的总电荷数,正好与价电子的电荷量相抵,1.1.1 本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体 在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起(外层电子达到8个具有稳定的结构)。 图1.1.2为共价键结构平面示意图。共价键中的电子由于受到原子核的吸引，不能在晶体中自由移动，所以是束缚电子，不

3、能参与导电。,图1.1.2单晶硅和锗的共价键结构示意图,半导体中的两种载流子自由电子和空穴 在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。 当温度升高时（或者受到其它能量作用时），键内电子因受热而获得额外能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子, 同时在共价键内留下了同样数目的空位，这些空位带正电，电量与电子相同，叫做空穴。如图1.1.3所示。这个过程称为本征激发。,图1.1.3本征激发产生电子和空穴,把空穴看作带正电的粒子，跟自由电子一样，它们是可以自由运动的，可以参与导电，因此是一种载流子。 温度越高

4、，本征激发越严重，产生的电子空穴对就越多，本征半导体中的载流子浓度越高。在室温下，激发出来的载流子平衡浓度为 ni=pi=1.431010cm-3 但是此浓度相对于硅原子密度51022cm-3来说仅为三万亿分之一，因此室温下，本征半导体的导电能力是很弱的。,复合的概念 在本征半导体中，由于本征激发不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，并且没有其它能量存在时，电

5、子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。,1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。,一、N型半导体（电子型） 在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图1.1.4所示。这种电子在室温下很容易成为自由电子, 从而使半导体中的电子数量大大增加, 称为”

6、多子”, 而此时由本征激发产生的空穴叫”少子” 能施放自由电子的杂质叫施主杂质(原子), 其失去电子后成为正离子。,图1.1.4 N型半导体原子结构示意图,二、P型半导体(空穴型） 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，其三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，与空穴不同，这些空位不带电，因为原子是中性的。 但是邻近共价键内的电子很容易填补该空位，从而在邻近形成空穴，因此掺入这种杂质会接受价电子从而产生相应浓度的空穴 ，该杂质叫作受主杂质（原子）。 受主

7、原子得到电子后成为负离子。,图1.1.5 P型半导体原子结构示意图,三、杂质半导体的载流子浓度 N型半导体中的载流子=掺杂施放的电子+本征激发电子+本征激发空穴 施主正离子 P型半导体中的载流子=掺杂施放的空穴+本征激发空穴+本征激发电子 受主负离子 杂质半导体仍然是电中性的。 在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。,对P型半导体，多子pp与少子np有,ND施主杂质浓度 NA受主杂质浓度 ni本征载流子浓度,对N型半导体多子nn与少子pn,由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过

8、控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其相对浓度大大减小，因此杂质半导体可用来制造半导体器件。但温度变化时会使少子浓度有明显变化。,四. 半导体中的电流 在半导体中存在两种电流。 一、漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子（包括自由电子和空穴）作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。,在外加电场作用下，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip 。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。

9、因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,二、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图16)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx， dp(x)/dx。,图16半导体中载流子的浓度分布,1.2 PN结,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做

10、成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。 半导体二极管就是由一个PN结构成的。,1.2.1 PN结的形成 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1.2.1(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1.2.1(b)所示。,图1.2.1 PN结的形成,开始

11、时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定.,由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。 实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结。 如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂

12、浓度小(轻掺杂)，则形成不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如下图所示。,图1.2.2 不对称PN结,1.2.2 PN结的单向导电特性 一、PN结外加正向电压 P区电位高于N区电位，外电场方向与内电场方向相反，PN结变窄，内电场被削弱, 多子扩散运动增强, 少子漂移运动减弱, 形成一较大的正向导通电流。,图1.2.3 正向偏置的PN结,二、PN结外加反向电压 N区电位高于P区电位，外电场方向与内电场方向相同；PN结变宽，内电场被增强, 多子扩散运动减弱, 少子漂移运动增强, 但由于少子浓度低，形成一很小的反向饱和电流。,图1.2.4 反向偏置的P

13、N结,三、PN结电流方程 理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 i=IS(e qu/kT-1)= IS(e u/UT-1) (1.2.1) 式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关； UT=kT/q (1.2.2) 称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。这是一个今后常用的参数。,由式(1.2.1)可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/UT，即i 随u呈指数规律变化； 加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。 根据PN结电流方程可画出PN结的伏安特

14、性曲线，如图1.2.5所示。,图1.2.5 PN结的伏安特性,PN结的温度特性 PN结特性对温度变化较敏感，反映在伏安特性上温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图1.2.5中虚线所示。具体变化规律是： 保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV; 温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。 当温度升高到一定程度时,本征激发产生的少子浓度可能会超过掺杂浓度, 多子消失, PN结就不存在了。 最高温度限制：硅：小于150 锗小于75 ,1.2.3 PN结的反向击穿特性 由图1.2.5看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR

15、为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,一、雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对，如此进行下去载流子浓度不断迅速增加，电流 也随之而增大。,二、齐纳击穿 在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急

16、剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 5V时为齐纳击穿； UBR介于57V时，两种击穿都有。,1.2.4 PN结的电容特性 在PN结外加电压发生变化时, 空间电荷量或者载流子数量会相应的发生变化,形成电容效应，这就是PN结电容。 一、势垒电容 CT PN结是不能移动的带电离子层，与平板电容器相似。耗尽层电荷量随外加电压变化而变化形成的电容称为势垒电容。PN结外加反向电压时，耗尽层较宽，势垒电容效应明显。,(1.2.5),式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN

17、结的制作工艺有关，一般在1/36之间。 注：式（1.2.5）仅适用于反偏电压。,二、扩散电容 正向偏置的PN结，以多子扩散运动为主，由于载流子浓度分布不均匀,会形成一种电容效应。下面利用图1.2.6 P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。 首先介绍一个概念 非平衡少子:当P区的多子（空穴）扩散到N区,其身份变为N区的少子,浓度高于N区的原少子平衡浓度,称为非平衡少子,或者叫非平衡空穴;同理当N区的多子（电子）扩散到P区,在P区形成非平衡电子。,图1.2.6 P区少子浓度分布曲线,在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷

18、量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。 如果引起Qn, Qp的电压变化量为u，则,(1.2.6),注：不对称结主要考虑高浓度掺杂区的扩散电容即可,势垒电容和扩散电容都是关于外加电压的非线性电容。 由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj= CT + CD 。 正偏时以CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主， Cj CT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD均不大，所以只在高频工作时，才考虑它们的影响。低频条件下可忽略其影响。,1.3 半导体二极管及其基本电路,晶体二极管是在PN结两端加上电极引线及管壳构成

19、的，其结构示意图和电路符号分别如图1.3.1(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。,图1.3 .1 晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图；(b)电路符号,利用PN结的特性，可以制多成多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路, 另外简要介绍稳压二极管及其稳压电路。,1.3.1 二极管特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安

20、特性与PN结的伏安特性略有差异。 由图可见，实际二极管的伏安特性有如下特点：,图1.3.2 二极管伏安特性曲线,一.正向特性 正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为起始导通电压或死区电压，用UD(on)min表示。室温下，硅管的UD(on)min=0.5V， 锗管的UD(on)min=0.1V。,在小功率二极管正常工作电流范围内，硅管的正向管压降约为0.50.9V，常取平均值UD=0.7V, 锗管约为0.10.3V, 常取UD=0.2V。 正向特性在小电流时，呈现指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。这是因为大电流时，P区、N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了，使电流

21、、电压近似呈线性关系。,二、反向特性 由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多, 而且反向电压绝对值加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。 二极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响，均与PN结相同。,1.3.2 二极管的主要参数 器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们合理选择和正确使用器件的依据。参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。 一、直流电阻RD RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，

22、即,RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的绝对值增大而增大。 RD的几何意义见图1.3.3(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。,(1.3.1),图1.3.3 二极管电阻的几何表示 (a)直流电阻RD； (b)交流电阻rD,二、交流电阻rD rD的定义：二极管在其工作点Q(UDQ ,IDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即,(1.3.2),rD的几何意义见图1.3.3(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。 rD可以通过对式(1.2.2)求导得出，即,(1.3.3),可见r

23、D与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K): 通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。,三、最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值，相应地，加在二极管上的正向电压也不能超过IF所对应的UD。 四、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，通常取反向击穿电压UBR的一半作为URM 。超过此值不一定发生反向击穿，但长期稳定工作的可靠性降低。,五、反向电流IR

24、IR指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。 六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。因为交流信号可以由结电容效应而顺利通过二极管。 需要指出，由于器件参数分散性较大，手册中给出的一般为典型值；必要时应通过实际测量得到准确值。另外，应注意参数的测试条件，当运用条件不同时，应考虑其影响。,1.3.3 晶体二极管模型 对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证

25、分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。,二极管是一种非线性电阻(导)元件，在小信号工作状态时可采用其精确的伏安特性表达式；在大信号工作状态时，主要表现为单向导电性，即从反向截止到大电流正向导通，或者相反，因而往往忽略其非线性。 二极管大信号工作时的电路模型有以下几种：,图1.3.7 考虑导通电压和交流电阻时的二极管特性的折线近似及电路模型,图1.3.6 只考虑导通电压时的 图1.3.5 理想二极管大信号电路模型 二极管特性的折线近似及电路模型 及折线近似,iD,uD,UD(on)

26、,uD,iD,1.3.4 二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。 一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1.3.9(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,图1.3.9 二极管半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,二、二极管限幅电路 限幅电路是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路

27、的传输特性如图1.3.10所示 .,图1.3.10 限幅电路的传输特性,一个简单的上限幅电路如图1.3.13所示。如果利用图1.3.6的恒压降模型，当uiE+UD(on)=2.7V时，二极管V导通，uo=2.7V，将uo的最大电压限制在2.7V；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路， uo = ui 。如果采用理想二极管模型，当uiE=2V时， uo=2V，当ui 2V 时V截止， uo = ui。如果采用比较精确的折线模型(图1.3.7)当uiE+UD(on)min=2.5V时,二极管V导通，uo=2.7V，当uiE+UD(on)min=2.5V, V截止， uo = ui。 可见使用

28、的模型不同，得到的结果是不同的，使用精确的模型得到的结果也精确。,图1.3.13 二极管上限幅电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,三、二极管电平选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图1.3.14(a)所示。设两路输入信号u1, u2均小于 E-0.5V。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1 u2 ，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2 u1 ，则V2导通，使V1截止。只有当 u1 = u2时， V1, V2才能都导通。,图1.3.14 二极管低电平选择电路及波形 (a)电路；

29、(b)输入、输出波形关系,Eu1 和u2的幅度,可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图1.3.14(b)画出了当u1, u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高电平作为逻辑1，把低电平定义为逻辑0，可见输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。 将图中的V1,V2反接，并将E改为负值，则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路(见习题19)。,1.4.1 稳压二极管 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，可用于限幅和稳压电路。 一、稳压二极管的特性 其正、反向特性与普通二极管基本相同, 区别仅在于击

30、穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压UZ几乎不变。在制造工艺上和通过限流电阻等措施,保证其工作于击穿区而不会损坏。,1.4 特殊二极管,图1.4.1 稳压二极管电路符号和特性, 稳压二极管是工作在击穿区的，通过的电流比较大，管耗(被管子本身消耗且转化成热能的功率)相应也较大, 因此设计制造稳压管时须控制其通过的电流密度，使用时不能超过其最大工作电流IZmax或有适当的限流措施，以保证稳压管的安全。另外稳压二极管的工作电流也不能小于其最小工作电流IZmin, 否则会降低稳压性能甚至失去稳压性。,二、稳压二极管的主要参数 1. 稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管， UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。 2额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。 PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。,3稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流，介