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1、第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.1 PN结的形成及特性 2.2 半导体二极管 2.3 二极管的常用模型和分析方法 2.4 稳压二极管 2.5 常用二极管电路,内容,阅读：教材 第2章,模拟电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,PN结的形成 PN结的单向导电性,2.1 PN结的形成及特性,关键问题 什么是PN结的单向导电性？,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.1 PN结的形成及特性,【例1.2-1】 已知在T=300K时本征硅受激产生的电子浓度为1.431010cm-3，而本征硅原子浓度为5.11022cm-3，如果在本征硅中掺入十亿分之一的施主杂质，即，杂质浓度为 ，此
2、时的杂质半导体中空穴浓度、电子浓度分别是多少？ 解： 此时的电子浓度： nNd 空穴浓度为：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,1.PN结的形成,在N型（P型）半导体的基片上，采用扩散工艺制造出一个P型（N型）区。 由于N型区，多子是电子，少子是空穴；在P区多子是空穴，少子是电子，因而在交界面的两侧，多子和少子的浓度相差悬殊。所以N区中的电子将扩散到P区，N区留下施主杂质正离子;P区中的空穴将扩散到N区，P区将留下受主杂质负离子。 当扩散的电子和空穴相遇，就会产生复合而消失，从而在交界面两侧形成一个由不能移动的正、负离子组成的空间电荷区，正负电荷形成电场。由于是内
3、部载流子的扩散形成的，故称为内电场。 P区和N区之间的交界面附近的空间电荷层，就成为PN结。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,随着多子的扩散运动的进行，空间电荷区不断加宽，内电场不断增强，但是，随之而来的两种影响是： 1）内电场将阻碍多子进行扩散； 2）P区和N区的少子一旦靠近PN结，就将在内电场的作用下漂移到对方。 总结：内电场一建立，就会起到阻止多子继续扩散运动；有利于少子漂移运动的作用。 漂移运动和扩散运动方向相反。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,从N区漂移到P区的空穴，补充了原来交界面上P区失去的空穴，使P区的空间电荷区
4、缩小；从P区漂移到N区的电子，补充了原来交界面上N区失去的电子，使N区的空间电荷区缩小。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，作用与扩散运动相反。 PN结中的两种载流子的运动的区别：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电位的高度相对稳定。 由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其它因素激励时，PN结中无宏观电流。 PN结又称为“耗尽区”,以强调扩散到区内的多数载流子由于复合浓度很快减小以至于耗尽的特点。正由于耗尽区内载流子浓度很低，所以区内电阻率很高；耗尽区外，P、N区仍然保持热平衡状态，是中性低
5、阻区。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,内电场E0产生的点位V0如图2.1.2所示。PN结又称为“势垒区”、“阻挡区”,以强调对多子扩散运动的阻挡作用。,图2.1.2 内电场产生的电位,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,2.PN结的单向导电性,PN结有一个基本特性单项导电性。 它只有在外加电压时才显现出来。PN结上外加电压称为偏置，所加电压称为偏置电压。,外加正向电压 当在PN结上加正向电压时，由于阻挡层是高阻区，所以外加电压大部分降落在阻挡层上，于是，在阻挡层上建立起一个外加电场 。外加电场的方向与PN结内电场方向相反。,第二讲
6、半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,外加正向电压,PN结将发生如下变化： 阻挡层内的总电场减弱，空间电荷总量减少； 空间电荷区变窄； 势垒区的电位差减小。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,由于势垒下降，阻挡层电场减弱，使扩散运动加强，打破了扩散运动和漂移运动的动态平衡。N区的电子源源不断的扩散到P区，形成了P区的非平衡少数载流子。注入P区的电子，首先积累在结的边界，使结边界的电子密度比其他地方大，形成密度差。在密度差的推动下，电子不断向P区纵深扩散，同时又不断与P区的空穴复合，经过一段距离后，扩散到P区的电子基本上都被复合掉了，电子密度恢复到
7、热平衡值，形成P区非平衡少子的稳定分布。同样，P区的空穴也源源不断的扩散到N区，且在一定范围内边扩散边复合，形成N区非平衡少子的稳定分布。 自由电子在外电场吸引下进入外导线，再被电源电动势推动，从右端进入N区参与多子流通，这样便形成了从N区到P区的整个连续流动。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,小结：,外加正向电压驱使N区电子和P区空穴进入空间电荷区，中和掉一些空间电荷，使空间电荷区变窄。多子扩散运动的增强，打破了原有的动态平衡，使扩散运动的多子大于漂移运动的少子，造成了电荷的净转移。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,外加反向电压
8、,PN结外加反向电压，外加电场的方向与PN结内电场方向相同，PN结将发生以下变化： 阻挡层内的总电场增强，空间电荷总量增加； 空间电荷区变宽； 势垒区的电位差增大。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,由于势垒提高，多子通过PN结的扩散运动受到阻碍，而少子通过PN结的漂移运动加强，这时漂移运动起主要作用。在空间电荷区强电场的作用下，两个区中的少子一旦到达势垒边界处，就被电场拉到PN结的另一侧。所以，在PN结空间电荷区的边缘处，少子浓度很低，接近于零。 这时少子的漂移电流构成了PN结的反向电流。由于少子浓度很低，反向电流较小。一定温度下，载流子浓度一定，因而可以抽取的
9、少子有限。在相当大的反向电压范围内，反向电流几乎恒定，故称为反向饱和电流，用IS表示。由于IS是由少子形成的，所以对温度很敏感。温度越高，反向电流越大。 由于PN结反偏时反向电流很小，可认为PN结基本不导电，表现为一个很大的电阻。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,小结：,外加反向电压驱使N区电子和P区空穴进一步离开PN结，使空间电荷区变宽，有利于少子的漂移运动，不利于多子的扩散运动。此时，少子的漂移构成了PN结的反向电流。此电流基本上不随外界电压变化，但随温度变化很激烈。,关键问题 什么是二极管的门坎电压？ 为什么使用二极管时要注意不要超过最高反向工作电压VBR
10、 ？,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.2 半导体二极管,半导体二极管 二极管的伏安特性 二极管的主要参数,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,1.半导体二极管,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,当vD 0 ,且 时,当vD 0 ,且 时，,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I 特性,例：已知PN结在T=300K时， , m=1,求 及 时的结电流。,解：当 时，PN结上为正偏压，有,当 时，PN结上为负偏压，有,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二
11、极管的V-I 特性,图2.2.3 实际的二极管的伏安特性,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,正向特性,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,反向特性,对Si二极管而言，一般地 VBR 4伏-齐纳击穿； VBR 7伏-雪崩击穿； 4伏 VBR 7伏-两种击穿都有,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,例：Si二极管I-V特性曲线如图 ，把Si管接入电路，求二极管上的电压降和通过二极管的电流。,解：电路方程 E=iDR+vD,从图中查出， ID=7(mA), VD
12、=0.8(V),第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,温度对正向特性的影响,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,3.二极管的主要参数,电子器件的参数是其特性的定量描述，也是实际工作中根据要求选用器件的主要依据。,1）二极管的直流参数 最大整流电流IF: 当管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。使用时管子的平均电流不得超过此值。 最高反向工作电压VR: 二极管工作时加在其两端的最大反向电压，否则二极管可能被击穿。 VR=VBR/2。 反向电流IR: 室温下，二极管两端加上规定的反向电压时流过管子的反向电流。通常希望IR小。
13、IR越小，二极管单向导电性能越好。 IR由少子形成，所以受温度影响很大。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,3.二极管的主要参数,静态电阻RD: 二极管是一个非线性器件，其电阻也不是常数。它随工作电压或电流的变化。 VQ工作电压； IQ工作电流。 当VQ 、IQ一定时，定义： 最高工作频率 : 是二极管的上限频率，它由PN结电容 Cj 的大小决定。 超过此值，二极管的单向导电性不能很好体现。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,3.二极管的主要参数,1）二极管的微变参数 微变电阻 （动态交流电阻）：它是二极管在小信号（即二极管的端电压在某一固定值附
14、近作微小变化）工作情况下引起电流变化用到的参数。定义：在二极管特性曲线上某点Q作且先进丝代替这一小段曲线，则 二极管的极间电容Cj,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.3 二极管的常用模型和分析方法,关键问题 什么是二极管的理想开关模型和恒压源模型？ 模型分析法的实质是什么？,常用的二极管模型 二极管的分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,由于二极管具有非线性的伏安特性，因此对于二极管的电路的分析，常常根据电路的实际工作状态和对分析精度的要求，对二级管建立恰当的模型。通常，对半导体元器件模型的建立大体分为两种方式： 物理模型：以元器件的物理作用
15、为基础，列出数学方程或组成等效电路而构造的模型，相应的模型参数与物理作用有密切的关系。 外特性模型：从元器件的端口特性出发构成的模型，不涉及元器件的物理机制。,二极管的常用模型,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,1.常用的二极管模型,理想二极管开关模型,正向导通，VD=0 (内阻r=0)，相当于开关闭合,反向截止，IS=0 (内阻r=)，相当于开关断开。,1.常用的二极管模型,恒压源模型,Si管：Von0.7(V)（实际：0.60.8） Ge管：Von0.2（V）,V Von，D通，通后压降为Von,V Von，D止，Is0，,第二讲 半导体二极管及常用二
16、极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,1.常用的二极管模型,交流小信号模型（微变等效）,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,2.分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,解析法 :根据电路定律和二极管的伏安特性，解出电路中的伏安关系，在求解方程。（求解烦琐困难） 模型分析法（等效电路分析法):根据二极管电路的实际工作状态，在分析精度允许的条件下，把非线性元件的特性在一定范围内进行线形化或分段线形化，用一个由线形元件组成的“线形电路”模型代替实际的二极管元件，从而将非线性电路转化成线形电路。（工程中常用此方法）,2.分
