模拟电子技术基础第六章 半导体二极管及其应用电路讲解

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1、6.1 半导体材料 6.3 半导体二极管 6.4 二极管电路分析方法 6.5 特殊二极管 6.2 PN结的形成及特性 1 6.1 半导体材料 6.1.1 本征半导体 6.1.2 N型半导体 6.1.3 P型半导体 2 6.1 半导体材料 导电能力介于导体与绝缘体之间 的物质称为半导体。半导体材料 的电学性质对光、热、电、磁等 外界因素的变化十分敏感，在半 导体材料中掺入少量杂质可以控 制这类材料的电导率。正是利用 半导体材料的这些性质，才制造 出功能多样的半导体器件。 3 6.1.1 本征半导体 锗： 1886年2月，德国化学家Winkler向德 国化学协会作了关于发现锗报告，并 将此元素命名

2、为Germanium以纪念其 祖国Germany。 锗在地壳中含量为0.0007%，较金、 银、铂的含量均高，由于资源分散， 增加了冶炼困难，属于稀有元素一类 。 锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管 材料。 4 6.1.1 本征半导体 硅： 1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化 硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅 。 硅在地壳中的含量是除氧外最多的元 素。地壳的主要部分都是由含硅的岩 石层构成的，这些岩石几乎全部是由 硅石和各种硅酸盐组成 。 硅是一种半导体材料，可用于制作半 导体器件和集成电路。 5 6.1.1 本征半导体 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 6 6.1.1 本征半导体 本征半导

3、体化学成分纯净的半导体。它在物理结 构上呈单晶体形态。 在绝对温度零度(即0 K，相当于-273)，且无外界激 发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电 。 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响， 某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱 共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在 共价键中留下相同数量的空穴。 7 6.1.1 本征半导体 空穴共价键中的 空位。 电子空穴对由热 激发而产生的自由电 子和空穴对。 空穴的移动空穴 的运动是靠相邻共价 键中的价电子依次充 填空穴来实现的。 8 6.1.1 本征半导体 本 征 激 发 动画 9 6.1.1 本征半导体 空 穴

4、的 运 动 动画 10 6.1.1 本征半导体 本征半导体特点：电子浓度空穴浓度 缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！ 本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素 ，导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不，导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不 同，分同，分N N型半导体和型半导体和P P型半导体，统称为杂质半导体。型半导体，统称为杂质半导体。 11 6.1.2 N型半导体 在硅(或锗 )晶体中掺入少量的5价元素，如磷（P）， 则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五价 杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子 中的价

5、电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原 子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 ，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 12 6.1.2 N型半导体 13 6.1.3 P型半导体 在硅(或锗 )晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或 铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代 替 。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少 一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成 ；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。

6、空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质 因而也称为受主杂质。 14 6.1.3 P型半导体 15 杂质对半导体导电性的影响 小结 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些 典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 16 6.2 PN结的形成及特性 6.2.2 PN结的单向导电性 6.2.3 PN结的电容效应 6.2.4 PN结的反向击穿 6.2.1

7、 PN结的形成 17 6.2.1 PN结的形成 18 在一块本征半导体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。此时将在N型半导体和P 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 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 19 6.2.1 PN结的形成 20 6.2.1 PN结的形成 对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 称耗尽层。 21 6.2.1 PN结的形成 PN 结 的 形 成 动画 22

8、6.2.2 PN结的单向导电性 如果外加电压使PN结中：P区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏； PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区， PN结呈低阻性，所以电流大； 反之是高阻性，电流小。 P 区的电位低于 N 区的电位，称为加反向 电压，简称反偏。 23 外加的正向电压有一部分降 落在 PN 结区，方向与PN结 内电场方向相反，削弱了内 电场。内电场对多子扩散运 动的阻碍减弱，扩散电流加 大。扩散电流远大于漂移电 流，可忽略漂移电流的影响, PN 结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况 6.2.2 PN结的单向导电性 24 6.2.2 PN结的

9、单向导电性 PN 结 加 正 向 电 压 动画 25 外加的反向电压有一部分降 落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相同，加强了内电 场。内电场对多子扩散运动 的阻碍增强，扩散电流大大 减小。此时PN结区的少子在 内电场的作用下形成的漂移 电流大于扩散电流，可忽略 扩散电流，由于漂移电流本 身就很小，PN结呈现高阻性 。 PN结加反向电压时的导电情况 6.2.2 PN结的单向导电性 在一定的温度条件下，由本征激 发决定的少子浓度是一定的，故少子 形成的漂移电流是恒定的，基本上与 所加反向电压的大小无关，这个电流 也称为反向饱和电流。 26 6.2.2 PN结的单向导电性 PN 结 加 反 向

10、 电 压 动画 27 PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向 导电性。 28 6.2.2 PN结的单向导电性 PN结V-I 特性表达式： 其中 : PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下(T=300K）: 29 6.2.3 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 30 6.2.3 PN结的电容效应 (1) 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电 压使PN结上压降发

11、生变化时，离子薄层的厚度也相应地随 之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电 容的充放电。 势垒电容示意图 31 6.2.3 PN结的电容效应 (2) 扩散电容CD 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。 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。 32 6.2.3 PN结的电容效应 扩散电容示意图 当外加正向电压不同时， 扩散电流即外电路电流的 大小也就不同。

12、所以PN结 两侧堆积的多子的浓度梯 度分布也不相同，这就相 当电容的充放电过程。势 垒电容和扩散电容均是非 线性电容。 33 6.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增 加到一定数值时，反向电 流突然快速增加，此现象 称为PN结的反向击穿。 热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 34 6 . 3 半导体二极管 6.3.1 半导体二极管的结构 6.3.2 二极管的伏安特性 6.3.3 二极管的主要参数 35 6.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二 极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 (1) 点接触型二极管 点接触型二极管结构示意图 P

13、N结面积小，结 电容小，用于检波和 变频等高频电路。 36 （a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (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 37 6.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V-I 特性 硅二极管2CP10的V-I 特性 38 6.3.2 二极管的伏安特性 硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。 当0VVth时，正向电流为零，Vth称为 死区电压或开启电压。 当V0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段： 当VVth时，开始出现正向

14、电流，并按指数 规律增长。 39 6.3.2 二极管的伏安特性 当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当VBRV0时，反向电流很小，且 基本不随反向电压的变化而变化，此时的反 向电流也称反向饱和电流IS 。 当VVBR时，反向电流急剧增加， VBR称为反向击穿电压 。 40 6.3.2 二极管的伏安特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升 高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管 温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极 管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即 具有负的温度系数

15、。 41 6.3.2 二极管的伏安特性 温度对二极管伏安特性曲线的影响 42 6.3.3 二极管的主要参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向 击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、 最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数 介绍如下： (1) 最大整流电流IF 二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 (2) 反向击穿电压VBR 和最大反向工作电压VRM 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压VBR。 为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压 VRM一般只按反向击穿电压 VBR的一半计算。 43 6.3.3 二极管的主要参数 (4) 正向压降VF (5) 动态电阻rd 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作 电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA) 级；锗二极管在微安(A)级。 在