电路与模拟电子技术第五章

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1、第 5章 半导体器件基础与二极管电路电电路与模拟电拟电 子技术术上一页下一页目 录返 回退 出本章教学内容5.1 半导体二极管的工作原理与特性5.2 二极管整流电路5.3 二极管峰值采样电路5.4 二极管检波电路上一页下一页目 录返 回退 出本章内容概述u导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从20世纪60年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管器件，在电子电路中占据绝对主导地位。u本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍PN结的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，最后介绍几种常用的二极管应用电路。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二

2、极管的工作原理与特性u半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓 GaAs等。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。 热热敏性： 当环环境温度升高时时，导电导电 能力显显著增强。（ 可做成温度敏感元件，如热热敏电电阻） 光敏性：当受到光照时时，导电导电 能力明显变显变 化。（(可做 成各种光电电元件，如光电电电电 阻、光电电二极管、光电电晶 体管） 掺杂掺杂 性：往纯净纯净 的半导导体中掺掺入某些杂质杂质 ，导电导电 能力 明显显改变变。（可做成各种不同用途的半导导体器件， 如 二极管、晶体管和晶闸闸管等）上一页下一页目 录返

3、 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续1 ） u半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构它们们的最外层电层电 子（价电电子）都是四个。每个原子与晶格上相邻邻的4个原子共享价电电子（使最外层层达到最稳稳定的8个电电子状态态，从而形成共价键键。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续2 ） u本征半导体 本征半导体化学成分纯净的半导体。物理结构上 呈单晶体形态。 电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。晶体中原子的排列方式自由电子空穴价电电子价价电电电电子在子在获获获获得一定能量（温得一定能量（温 度升高或受光照）后，即可度升高或受光照

4、）后，即可 挣挣挣挣脱原子核的束脱原子核的束缚缚缚缚，成，成为为为为自自 由由电电电电子（子（带负电带负电带负电带负电 ），同），同时时时时共共 价价键键键键中留下一个空位，称中留下一个空位，称为为为为 空穴（空穴（带带带带正正电电电电）。）。自由电电子和空穴成对产对产 生的同 时时，又不断复合。在一定温度 下，电电子空穴对对的产产生与复合 达到动态动态 平衡，半导导体中电电子 空穴对浓对浓 度一定。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续3 ） u本征半导体的导电机理 外电压时，半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动形成电子电流；类似金属导体导 电 相邻价

5、电子递补空穴形成空穴电流。能够承载电流的粒子称为载流子，半导体含有两种载 流子：自由电子和空穴。 本征半导体中载流子浓度极小，导电性能很差； 温度越高，本征半导体中载流子浓度越高，导电能力 越强。半导体导电能力受温度影响很大。300K时，本征硅的载流子浓度为1.41010/cm3，而本 征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续4 ） u杂质半导体在本征半导导体中掺掺入某些微量的杂质杂质 ，就会使半导导体的导导 电电性能发发生显显著变变化。1、N型半导导体在本征半导导体中加入五价元素，这这些五价元素在外层层含有五个电电子

6、，除了四个与其周围围的半导导体原子构成共价键键，还还有一个电电子成为为自由电电子，这这种半导导体中含有较较高的自由电电子浓浓度，自由电电子是多数载载流子（多子），空穴浓浓度较较低，是少数载载流子（少子）。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续5 ）+5+4+4 +4余下的这这个不受共价键键束缚缚的价电电子,在室温下获获得的热热能也可以使它挣挣脱原子核的引力而成为为自由电电子。五价元素称为为施主杂质杂质 ，它失去一个价电电子成为为正离子，但不会产产生空穴。正离子束缚缚在晶格中，不能像空穴那样样起导电导电 作用。掺杂掺杂 五价原子上一页下一页目 录返 回退 出5.1

7、 半导体二极管的工作原理与特性（续6 ）如果在本征半导导体中掺掺入三价元素，则则形成P型半导导体，空穴为为多数载载流子，而自由电电子为为少数载载流子。2、P 型半导导体+3 +4 +4 +4掺杂掺杂 的三价元素称为为受主杂质杂质 ，受主杂杂质质接受一个电电子后形成一个带负电带负电 的负负离子但不会产产生自由电电子。负负离子在晶格中不能起导电导电 作用。掺杂掺杂 半导导体的多子浓浓度主要由掺杂浓掺杂浓 度决定，所以其导电导电 能力也由掺杂浓掺杂浓 度决定。掺杂掺杂 3价原子N型半导导体中多数载载流子是自由电电子。P型半导导体中多数载载流子是空穴。不论论是N型半导导体还还是P型半导导体，虽虽然它们

8、们都有一种载载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电带电 的，宏观观上保持电电中性。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续7 ） u载流子的运动 载流子在电场作用下的漂移运动 没有电场作用时,半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热骚动，其运动方向不断改变，因此从 平均的意义上来说不会产生电流。 当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠 加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的 运动。在电场作用下载流子的运动称为 漂移运动。由漂移运动产生的电 流为漂移电流。电场电场 E+-e q上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续

9、8 ） u载流子的运动(续)载流子的扩散运动如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。由于浓度差引起的载流子运动为扩散运动。相应产生的电流为扩散电流。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续9 ） uPN结 PN结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半 导体。将P型半导体和N型半导体结合在一起，P型N型+ +- -E在P型半导导体一侧侧，空穴浓浓度较较高 ，而在N型半导导体一侧侧，自由电电子 浓浓度较较高，因此，界面处处存在载载 流子浓浓度梯度，产产生多数载载流子向 对对面的扩扩散运动动。随

10、着扩扩散的进进行界面附近载载流子不断复合，留下带电带电 离 子形成空间电间电 荷区（耗尽区），建立起内建电场电场 E阻止多 子扩扩散进进一步进进行。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续10 ）另一方面，对进对进 入空间电间电 荷区的少子，内建电场电场 又将 其驱动驱动 到对对面（漂移运动动），在一定温度下，如果无外界 电场电场 的作用，达到动态动态 平衡，形成所谓谓PN结结。这时这时 的扩扩 散电电流等于漂移电电流。PN结结中没有净电净电 流流动动。P型N型+ +- -EPN结结空间电间电 荷区的叫法很多，有叫耗尽区的，也有叫阻挡层挡层 的。上一页下一页目 录

11、返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续11 ） PN结结的单单向导电导电 性当外加电场电场 加入后，如果外电场电场 方向与内电场电场 方向一致 ( 即，外加电压电压 正端接 N 区, 负负端接 P 区)。PNEUPN结结加反向偏压压，不导电导电 （截止）内建电场得到加强，空间电荷区加宽，载流子更难通过，因而不能导电（截止）。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续12 ） PN结的单向导电性（续） 当外加电场方向与内电场方向相反（即，外加电压正 端接P区，负端接N 区）。PNEU PN结结加正向偏压压，导电导电 （导导通）内建电场电场 受到削弱，空间

12、电间电 荷区变变窄，载载流子易于通 过过，因而产产生导电现导电现 象（导导通）。这这种只有一种方向导电导电 的现现象称为为PN结结的单单向导电导电 性。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续13 ） u半导体二极管 半导体二极管的电路符号与基本结构半导体二极管内部就是一个PN结，将其封装并接出两 个引出端，从 P 区引出的端称为阳极（正极），从 N 区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图所示。阳极阴极D二极管电电路符号根据PN结结的单单向导电导电 性，二极管只有当阳极电电位高于阴极电电位时时，才能按箭头头方向导导通电电流。符号箭头头指示方向为为正，色点则则表示

13、该该端为为正极。为为了防止使用时时极性接错错，管壳上标标有 “” 符号或色点，如果二极管极性接错错，不仅仅造成电电路无法正常工作，还还会烧烧坏二极管及电电路中其他元件。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续14 ） 二极管的基本结构引线外壳触丝线基片点接触型PN结面接触型上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续15）常见见二极管实实物上一页下一页目 录返 回退 出第20页5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续16）点接触型半导导体二极管实实物照片上一页下一页目 录返 回退 出第21页5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续17）面

14、接触型半导体二极管实物照片上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续18 ） 半导体二极管的伏安特性DiD + uD uD/ViD0正向导导通0.5锗锗 硅0.21. 正向特性外加正向电压时电压时 ，正向特性的起始部分，正向电电流几乎为为零。这这一段称为为 “死区”。对应对应 于二极管开始导导通时时的外加电压电压 称为为 “死区电压电压 ”。锗锗管约为约为 0.2V, 硅管约约0.5V。上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续19 ） 半导体二极管的伏安特性（续）2. 反向特性 外加反向电压电压 不超过过一定范围时围时 通过过二极管的电

15、电流是少数载载流子漂移运动动所形成的很小的反向电电流，称为为反向饱饱和电电流或漏电电流。该电该电 流受温度影响很大。 3. 击击穿特性外加反向电压电压 超过过某一数值时值时 ，反向电电流会突然增大， 这这种现现象称为击为击 穿（击击穿时时，二极管失去单单向导电导电 性）。 对对 应应的电压电压 称为为击击穿电压电压 。uD /ViD0正向导通反向截止击穿0.5锗硅0.2反向饱和电流上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续20 ）利用Multisim测试二极管伏安特性上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续21 ）二极管的电路模型在实际

16、电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性 1. 理想二极管的电电路模型iDuDO导导通电压电压 UD与二极管材料有关：硅管为为0.60.7V，锗锗管为为0.20.3V。2. 考虑导虑导 通电压电压 的二极管模型： iDuDO_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续22 ） 3. 考虑虑正向伏安特性曲线线斜率的二极管电电路模型 以动态电动态电 阻rD表示曲线线的斜率，( rD的值值随二极管工作点Q变变化而变变化）iDuD OUD uDUD+uDiD_rD上一页下一页目 录返 回退 出5.1 半导体二极管的工作原理与特性（续23）u理想二极管应用电路实例 限幅电路+ ui _+ uO _RE输输入电压为电压为 一正弦波 。电电池电压电压 ： E=4V 08t40 t截止截止导通导通如果考虑虑二极