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1、1,第6章 半导体二极管及其应用电路,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,2,6.1 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,3,6.1 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。,集成电路芯片,半导体器件是现代电子学的基础。,4,6.1.1 本征半导体,锗： Germanium
2、(metaloid)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。,grayish white锗晶体,5,硅：Silicon (Metaloid) 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
3、于制作半导体器件和集成电路。,crystalline, reflective with bluish-tinged faces 硅锭：透明、谈蓝色,6,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,Ge：atomic number 32,Si：atomic number 14,7,本征半导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
4、穴。,8,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。,9,本征激发,动画,10,空穴的运动,动画,11,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，导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体，统称为杂质半导体。,end,12,6.1.2 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
5、价电子形成共价键，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。,13,end,14,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。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质
6、因而也称为受主杂质。,6.1.3 P型半导体,15,16,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:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,end,17,6.2 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 PN结的形成,18,6.2.1 PN结的形成,19,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
7、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 ,20,21,PN结的形成,动画,end,22,6.2.2 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
8、现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况,24,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，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,26,PN结加反向电压,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,PN结V-I 特性表达式：,其中:,PN结的伏安特性,
9、IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下(T=300K）:,end,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,30,1、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。,31,2、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
10、结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,同时，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,32,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。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。,end,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,34,当掺杂浓度很高时，耗尽层宽度很窄，在不大的反向电压作用下，形成很强的内电场(2107V/m)，直接将价电子从原子的共价键中“拉”
11、出来，产生大量的电子-空穴对，于是反向电流急剧增大，这种击穿称为“齐纳击穿”。,当掺杂浓度较低时，耗尽层宽度较宽，内电场较小，不能发生齐纳击穿。 但是，当反向电压达到足够大时，内电场使来自P区的电子的漂移速度不断增加，获得足够的动能，撞击共价键中的价电子，使其获得足够的能量，摆脱共价键的束缚，产生电子-空穴对。 自由电子再次加速获得足够的动能，再次撞击其他价电子，产生雪崩式倍增的电子-空穴对，致使反向电流迅速增大，发生PN结反向击穿。因此，这种击穿称为“雪崩击穿”。,end,35,6.3 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,
12、36,6.3.1 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,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,37,（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。,end,38,6.3.2 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,39,硅二极管：Vth=0.5 V左右锗二极管：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。
13、,当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,40,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 。,41,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。,
14、温度增加，二极管电流增加，特性曲线左移。,end,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。,43,6.3.3 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：,(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,44,(4) 正向压降V
15、F,(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。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,(3) 反向电流IR,45,end,46,6.4 二极管电路分析方法,6.4.1 图解分析方法,6.4.2 小信号模型法,6.4.3 分段线性模型法,47,6.4.1 图解分析方法,已知二极管特性和方程,电路约束方程,线性电路,48,例6.1 已知二极管的伏安特性曲线和电路，试求二极管的电流和电压。,解：由电路得,直流负载线,直流负载线与二极管特性曲线的交点Q（VDQ，IDQ）既是解。,电压电流是直流，与时间无关，称为静态。Q称为静态工作点。,49,图解法的步骤归纳如下：1、列出非线性元件的电流和电压为变量的直线方程。2、将直线绘制在非线性元件特性曲线的图上，求出交点坐标，即求解出非线性元件的电流和电压。3、将第3步的解代入第2步的线性电路方程，解出线性元件的电流和电压。,50,例6.2 已知,V，,二极管的伏安特性同例6.1。,试求二极管的电流和电压。,
