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1、 模 拟 电 子 线 路 第2章第2章 半导体二极管及其基本电路2.0 引言电路器件 应用Richard J. Valentine 摩托罗拉公司首席工程师“分立半导体器件是大多数电子电路的基本构件,即使对于微型计算机芯片这样的复杂集成电路器件,也是由二极管和晶体管构成的。工程师在开始设计电路之前,不管这个电路是一个普通的家用计算机电源,还是一个含有500万个晶体管的微处理器集成电路,了解其中的单个元器件的工作原理是非常必要的。” 2.0 引言“每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计者更快地选择正确的元器件.花时间学习每种分立半导体器件如何工作,
2、以及它们与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.”“任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计.掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子设备中的工程师来说,都是非常重要的.”2.1 半导体的基本知识半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间 (103109cm). 硅 (Si) 和锗 (Ge) 是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓(GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中.一、本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体.本征半导体呈电中性.2
3、.1 半导体的基本知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴图 2.1图 2.2本征 激发2.1 半导体的基本知识ni =pi=AT3/2eEg0/2kT （2-1） 3.881016cm3K3/2 （Si）1.761016cm3K3/2 （Ge）1.21 eV （Si）0.785 eV （Ge）k (玻尔兹曼常数) = 8.63105 eV/K T ni，T=300K， ni(Si) 1.51010cm3 ni(Ge) 2.41013cm3 T (热力学温度，单位K)A(材质常数)=Eg0(禁带宽度) =2.1 半导体的基本知识硅本征半导体中自由电子的浓度为 1.51010cm
4、3 ,看上去似乎很大,但和硅原子的浓度4.961022cm3相比还是很小的. 所以,本征半导体的导电能力很弱 (本征硅的电阻率约为2.2105cm). 二、 杂质半导体掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能.杂质半导体依然呈电中性.2.1 半导体的基本知识1. N型半导 体 多子: 自由电子 少子: 空穴 +4+5+4+4+4磷施主杂质图 2.3+4+3+4+4+4硼受主杂质图 2.42. P型半导 体 多子:空穴少子:自由电 子 2.1 半导体的基本知识在热平衡条件下 n0 p0= ni 2 （2-2） N型半导体 n0 =Nd+
5、ni Nd （2-3） Nd 施主原子浓度 .P型半导体 p0=Na+ ni Na （2-4） Na 受主原子浓度 .(1) 掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子就会有几个数量级的增加,即导电能力显著增大.2.1 半导体的基本知识(2) 在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与温度无关(3) 在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因.三、两种导电机理漂移和扩散1. 漂移和漂移电流在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.2.1 半导体的
6、基本知识图 2.5+ V -EIIJt=Jpt+Jnt= q ( pp + nn) E =E （2-5） 2. 扩散和扩散电流因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.2.1 半导体的基本知识N型硅半导体n0 p0n(x)p(x)图 2.60xJd=Jpd+Jnd （2-6） dp(x)Jpd= qDpdxdn(x) dn(x)Jnd=(q)Dn =qDndx dx由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流.扩散系数2.2 PN 结当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才 真正发挥出来.一、PN结的形成1. 形成过程图 2.7
7、空间电荷区P+x=0NE耗尽层(阻挡层)2.2 PN 结阻碍多子扩散 载流子浓度差多子扩散空间电荷区利于少子漂移形成一定厚度的PN结 动态平衡2. 内建电位差NaNdVBVTln (27)ni2其中: VT26mVNaNdniVB（势垒电压 ）（热电压）2.2 PN 结室温下(T=300K)VB(Ge)0.20.3VVB(Si)0.50.7V图 2.8x xnxpVP+NOVB3. 阻挡层宽度xn Nal0=xn+xp = (2-8)xp NdT1。CVB 2.5mV2.2 PN 结二、PN结的伏安关系 VF+ 图 2.9VBVFVl0P+Nlx OVB图 2.10VB+VRVl0VR +P+
8、Nlx OVB2.2 PN 结1、正偏 l l0，IDIT IF 2、反偏 ll0，ID IT ISOvD/VTiD/mAVBRIS(Si)(10910 16) AIS(Ge)(10610 8) A( Na、 Nd) IS T IS 图 2.11 PN结伏安特性曲线PN结具有单向导电性. 2.2 PN 结ID=IS(e 1)VD VTVD VTID ISe(2-9)(2-10)ID ID或 VD VTln =2.3 VTlgIS IS 3、V-I关系的数学表达式 I2 I1 I2 V2V1=2.3VTlg 2.3 VTlg =2.3VTlg (2-11) IS IS I1VD(on)0.7V
9、(Si)VD(on)0.25V (Ge)当VDVD(on) 时, PN结正向导通.VD 每增加60mV, ID将按10的幂次方迅速增大. 2.2 PN 结4 、温度特性温度每升高10oC, IS约增加一倍.温度每升高1oC, VD(on)约减小2.5mV.当 VD0 且 VD VT时,0eVD VTIDISTmax=(150200) oC (Si)(75100) oC (Ge)5 、击穿特性电击穿(可逆)热击穿(不可逆)雪崩击穿(低掺杂PN结, VBR6V )齐纳击穿(高掺杂PN结, VBR6V )2.2 PN 结(1)、雪崩击穿PNPN结接 电 源 负 极接 电 源 正 极122312 23
10、图 2.12电子空穴碰撞电离电子-空穴对碰撞电离电子-空穴对载流子倍增2.2 PN 结(2)、齐纳击穿E(2105V/cm)电子-空穴对场致激发 载流子剧增三、PN结的电容特性 1 、势垒电容CBP+NP+N图 2.13(a) 势垒电容充电(b) 势垒电容放电2.2 PN 结反偏时, CB较大.2 、扩散电容CD正偏时, CD较大.3 、结电容CjCj= CB+CD正偏时, CjCD(几十pF到几千pF)反偏时, CjCB(几pF到几十pF)f较大时， Cj影响显著xnx xpOpn0 np0QsnQSPVF+ P+N图 2.142.3 二极管一、结构、分类、符号2.3 二极管2.3 二极管1
11、 、结构点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用.2AP1 ( IF=16mA , f=150MHz )面接触型:结面积大,极间电容也大,适于做整流用,但不宜用于高频电路中.2CP1 ( IF=400mA , f=3kHz )平面型:集成电路中的常用形式.2 、分类2.3 二极管按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等;按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等;按工作频率分类:高频管、低频管等;按输出功率分类:大功率管、中功率管、小功率等.3 、符号二、V-I特性OvD/VGeiD/mAiD/ASi图 2.162.3 二极管2.3 二极管三、
12、主要参数1、最大整流电流IF2、反向击穿电压VBR3、反向电流IR4、极间电容Cj5、最高工作频率f6、直流电阻RD和交流电阻rd四、电路模型1、理想模型2、恒压降模型vD/VOiD/mA(a)vD/VOiD/mA(b)0.7V + 2.3 二极管3、折线模型4、小信号模型vD/VOiD/mA(c)Vth + RD(200)rdCjrd(d)图 2.19图 2.20OQiD/mAvD/VIDQ1arctanrd2.3 二极管VTrd = (212) IDQ 五、特殊二极管1、稳压二极管VZ 、 IZ 、 rZ 、PZM 、IZIZminIZmaxiZ/mAOvZ/VVZ图 2.21IDQ+ IS IDQ= VT VTvD=VDQ2.3 二极管3、发光二极管(LED)电信号光信号4、光电二极管光信号电信号在反向状态下运行2、变容二极管在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等.50 20 10521C/pF0 5 10 15 20 25V/V图 2.222.3 二极管图 2.235、激光二极管图 2.242.3 二极管激光二极管的物理结构是
