模拟电路0102 第一讲 半导体-二极管伏安特性

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1、重要性：本课程是电子信息类专业重要的专业 基础课、主干课程、入门课程、工程类课程课程内容：半导体器件 - 分离电路 集成 电路 应用及深入分析要求：熟悉电子线路的基本概念、基本理论， 掌握基本分析与设计方法，为进一步学习专业 知识和走上工作岗位打下坚实基础。联系方法：13814042597 办公室：本部10-6021.1 半导体的基础知识1.2 PN1.2 PN结与半导体二极管结与半导体二极管1.3 1.3 特殊二极管特殊二极管1.4 1.4 半导体三极管半导体三极管1.5 1.5 场效应晶体管场效应晶体管1.1 半导体的基础知识 1.1.1 导体、绝缘体和半导体1.1.2 本征半导体1.1.

2、3 杂质半导体1.1.1 导体、绝缘体和半导体导体： 容易导电的物质，如铜、铝、铁、银 等。绝缘体：不导电的物质，如塑料、陶瓷、石 英、橡胶等。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化 镓(GaAs)等。电阻率10-3-109cm1.1.2 本征半导体本征半导体：纯净且晶格方向一致的半导 体晶体。 硅和锗原子结构图硅锗最外层电子都是4个，所以都是4价元素。价电子 ： 外层的电子受原子核的束缚力最 小，决定着物质的化学性质和导电能力。共价键结构 ： 每两个相邻原子之间共有一对 价电子。自由电子 ：共价键中的电子，由于受到其原子核的吸 引，是不能在晶体中自由

3、移动的，只有获得足够的能 量后才能挣脱共价键的束缚。 本征激发 ：在有外界激发的情况下,例如常温（ ）下，少数价电子获得一定的能量，挣脱共价键的束 缚成为自由电子的现象。 空穴 ： 价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后， 就在原来共价键的位置上留下的一个空位。 本征半导体中存在两种载流子：自由电子和 空穴。电子空穴对 ： 在本征半导体中，自由电 子和空穴是成对出现的，有一个自由电子，必定 有一个空穴。电子与空穴电荷量相等，极性相反。自由电子和空穴的复合 ： 在自由电子和空 穴的产生过程中，自由电子在热骚动过程中和空 穴相遇而释放能量，电子空穴对消失。 动态平衡：它们与温度 的关系：在常温下(

4、)，硅锗两种半导体导电性能都很弱1.1.3 杂质半导体杂质：掺入的元素。杂质半导体：掺杂后的半导体。受主杂质：掺入的三价元素。空穴型(或称P型)半导体：掺杂受主杂质后的 半导体。施主杂质：掺入的五价元素。电子型(或称N型)半导体：掺杂施主杂质后的 半导体。1.N型半导体 掺入微量的五价元素（如磷）所形成的N型杂质半导体 ： 总的自由电子数远远大于空穴数总的自由电子数远远大于空穴数 多数载流子多数载流子（多子多子）：自由电子。自由电子。 少数载流子少数载流子（少子少子）：空穴。空穴。 热平衡条件（质量作用定律）：两种热平衡 载流子浓度的乘积恒等于本征载流子浓度的 平方：电中性条件：假设在室温时杂

5、质原子已全部 电离，则带负电的自由电子浓度恒等于带正 电的施主杂质离子和空穴浓度之和：通常满足 时：2.P型半导体 掺入微量的三价元素（硼）所形成的P型杂质半导体:多数载流子（多子）:空穴。 少数载流子（少子）:电子。 P型半导体中电子浓度n和空穴浓度p：空穴的浓度近似等于受主杂质的浓度， 与温度无关。电子的浓度与受主杂质的浓度成反比， 且随温度的升高而迅速增大。1.2 PN结与半导体二极管1.2.1 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电性1.2.3 PN结的电容特性1.2.4 半导体二极管及其参数1.2.5 二极管的电路模型1.2.1 PN结的形成 PN结：通过掺杂工艺，把本征硅（或锗）

6、片的一 边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，并且 保持晶格的连续性，在它们的交界面处形成一个 很薄的特殊物理层。 扩散运动：由于存在浓度差引起的载流子从高浓 度区域向低浓度区域的运动。扩散电流：扩散运动所形成的电流。 PN结的形成动画 空间电荷区（耗尽层、阻挡层）：在交界面附 近出现的带电离子集中的薄层。 内电场：空间电荷区的左半部是带负电的杂质 离子，右半部是带正电的杂质离子，从而在空 间电荷区中就形成了一个由N区指向P区的内建 电场。 漂移运动：在内电场的作用下，空穴向P区漂 移，电子向N区漂移，载流子在电场作用下的 这种运动。 漂移电流:漂移运动所形成的电流。 动态平衡:从P区中扩散

7、到N区中的空穴数与从N 区中漂移到P区中的空穴数相等，从N区中扩散 到P区中的电子数与从P区中漂移到N区中的电 子数相等。 接触电位差 : 达到动态平衡后的PN结，内建 电场的方向由N区指向P区，N区与P区的电位差： 对称结: 当P区和N区杂质浓度相等时，PN结的负 离子区和正离子区的宽度也相等；空间电荷区任一侧的宽度与该侧掺杂浓度成 反比，空间电荷区主要向低掺杂一侧扩展。 l.2.2 PN结的单向导电性 1.PN结外加正向电压 PN结外加正向电压（正向偏置）：将PN结的P区接电源 正极，N区接电源负极。PN结正向偏置时，空间电荷区的宽度减小， 两侧的离子电荷量减小，多子扩散运动大大增 强而少

8、子漂移运动进一步减弱。扩散电流占主导地位，在外电路中形成一 个流入P区的电流 。在正常工作范围内，PN结上外加电压 只要稍有增加，就能引起正向电流 显著增 加。因此正向PN结表现为一个很小的电阻。2. PN结外加反向电压 PN结外加正向电压（正向偏置）：将PN结的P区 接电源负极，N区接电源正极。PN结反向偏置时，扩散电流迅速减小，漂移运动加强。反向饱和电流：在外电路中形成流入N区的电流， 用 或 表示。在PN结反向偏置时，PN结表现为一个很大的 电阻。是少子的运动产生的，受温度影响很大。PN结的单向导电性：PN结正向偏置时，呈现的电 阻很小，PN结反向偏置时，呈现的电阻很大。3.PN结方程

9、考虑PN结的反向击穿，可画出PN结的伏安特性曲线。 正向特性：U0的部分，I随U近似按指数规律变化， 呈现小电阻的导通状态； 反向特性：U0的部分，电流很小，呈现大电阻的截 止状态。3.PN结方程 PN结方程：正向偏置且 大于 几倍以上时：反向偏置且U大于 几倍以上时：4. PN结的反向击穿PN结的反向击穿：当PN结的外加反向电压增大到一定 值时，反向电流急剧增大的现象。 PN结的反向击穿电压：发生击穿时的反向电压。 齐纳击穿：在高浓度掺杂的情况下，PN结很窄，外加 不大的反向电压,就可在耗尽层中形成很强的电场。它 能够直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来， 产生电子空穴对，使得反向电流剧

10、增。 雪崩击穿：在PN结较宽的情况下，当反向电压较大时 ，在空间电荷区中产生强电场，使少子在作漂移运动 时受到更大的加速，与晶体中原子碰撞时，把价电子 撞出共价键，产生电子空穴对。电子空穴对在强 电场的作用下又撞击其它原子，产生新的电子空穴 对。电子空穴对像雪崩一样倍增，使得反向电流剧 增。1.2.3 PN结的电容特性PN结的结电容：在外加电压发生变化时，PN结 耗尽层内的空间电荷量和耗尽层外的载流子数 目均发生变化，这种电荷量随外加电压变化的 电容效应。1.势垒电容 势垒电容：阻挡层中电荷量随外加电压变化而 改变所呈现的电容效应，用 表示：利用PN结的势垒电容效应而制造的变容二极管( 压控可

11、变电容器)，在现代电子线路中得到广泛 应用。 2.扩散电容 扩散电容：由于外加电压改变引起扩散区内累 积的电荷量变化所呈现的电容效应，用 表示 ： PNPN结的总电容：结的总电容：PNPN结正偏时，结正偏时， ，其值为几十，其值为几十pFpF 至几百至几百pFpF 。反偏时，。反偏时， ，其值，其值 为几为几pFpF 至几十至几十pFpF 。1.2.4 半导体二极管及其参数1.半导体二极管的结构 半导体二极管：由PN结加上两根电极引线并封装 在管壳中可构成。点接触型二极管：特点是PN结面积小，不能承受 高的反向电压和大的正向电流，但其结电容小， 工作频率可达100MHz以上。因此适用于高频检波

12、 和小功率整流。面接触型二极管：特点是PN结面积较大，因 而结电容大，工作频率低。适用于大电流、低频 率的场合，常用于低频整流电路中。2.半导体二极管的伏安特性 实测二极管2CP10(硅管)、2AP10(锗管)的伏 安持性曲线：（1） 正向特性。 门坎电压（又称死区电压） ：正向电压超过某 一数值时，正向电流明显增加，正向特性上的这 一数值。一般，硅二极管的死区电压为0.5V左右 ，锗二极管为0.1V左右。 （2） 反向特性。在反向电压作用下，少数载流子(P区中的电 子、N区中的空穴)漂移通过PN结，形成反向饱和 电流。 （3） 反向击穿特性。当反向电压增加到一定数值时，反向电流急 剧增大，二极管反向击穿。