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1、(1-1),第三章 半导体二极管及其基本电路,(1-2),第三章 半导体二极管及其基本电路, 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN 结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及分析方法 3.5 特殊二极管,(1-3),3.1.1 导体、半导体和绝缘体 Conductor、semiconductor and insulator,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电能力处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3.1 半导体的基
2、本知识,(1-4),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,(1-5),共价键共 用电子对,Valence electron is shared in a covalent bond with one of the atoms four nearst neighbors,3.1.2 半导体的共价键(covalent bond),(1-6),形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。(cryst
3、al lattice，晶格）,(1-7),1.载流子、自由电子和空穴(carrier、free electrons and holes),本征（intrinsic or pure)半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,3.1.3 本征半导体、载流子及其导电作用,(1-8),自由电子,空穴,束缚电子,动画本征激发,本征激发的自由电子浓度数据,(1-9),2.本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,动画空穴导电,(1-10),温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征
4、半导体中空穴与自由电子是成对出现的。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。nipi,载流子的产生与复合,(1-11),在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂后使半导体的某种载流子浓度大大增加。,3.1.4 杂质(extrinsic or doped)半导体,(1-12),1.P 型半导体,P 型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,动画P 型半导体,P 型半导体：在硅晶体中掺入3价元素，空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体） 。,杂质浓度,少子浓度,总空穴浓度,(1-13),2. N 型半导体,N型半导体中电子是多数载流子，空穴
5、是少数载流子。,动画N 型半导体,在硅晶体中掺入5价元素，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体） 。,总自由电子浓度,少子空穴浓度,杂质浓度,(1-14),3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2 PN结(PN junction)的形成及特性,漂移：由于电场的作用而导致载流子的运动,扩散：载流子由浓度高的地方向浓度低的地方运动,(1-15),3.2.2 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，经过多数载流子的扩散(diffusion)及少数载流子的漂移(drift)，两种运动达到动态平衡时，在它们的交界面处就形成了PN 结。,动画PN 结形成,(
6、1-16),P型半导体,N型半导体,扩散的结果使空间电荷区逐渐加宽，耗尽层越宽，越不利于扩散,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(1-17),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(1-18),结果使N区的电位高于P区，接触电位差V0,(1-19),空间电荷区中没有载流子，有不能移动的正负离子。,注意:,P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,(1-20),PN 结加上正向电压、正向偏
7、置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,3.2.3 PN结的单向导电性,(1-21),（1）外加正向电压,外加正向电压多子扩散耗尽层变薄势垒降低形成较大的扩散电流,扩散电流使耗尽区中的动态载流子增加，PN结的电阻减小，表现为低电阻，PN结导通。,半导体本身的体电阻比PN结上的电阻小的多，故外加的电压将集中降落在PN结上。 PN结内的电流由扩散电流决定，漂移电流很小，可以忽略不计。,动画PN结正压,(1-22),（2）外加反向反向电压,外加反向电场与内电场方向相同P区的空穴和N区的电子将进一步离开PN结，使耗尽层增厚势
8、垒增加扩散电流趋于零少数载流子的漂移形成反向饱和电流Is。Is很小，一般在10-810-14A 之间。,PN结呈现高阻性，认为基本不导电。,动画PN结反压,(1-23),（3）PN结V-I 特性表达式,vD,iD,定性分析：p.65,(1-24),3.2.4 PN结的反向击穿(breakdown),雪崩(avalanche)击穿： 反向电压增加通过空间电荷区的载流子获得能量增加与晶体原子发生碰撞使共价键中的电子激发形成电子空穴对；然后是载流子的倍增效应。,(1-25),齐纳(zener)击穿： 外加电场较高时，PN结空间电荷区存在一个强电场，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来造成电子空穴对，
9、形成较大的反向电流。发生齐纳击穿的场强约为2105V/cm。,When the breakdown voltage is less than 5.7 volts, the zener mechanism is usually responsible, for higher voltages, avalanche is probably taking place.) 当不超过PN结的耗散功率时，以上两种电击穿的过程是可逆的。而热击穿是不可逆的。,(1-26),PN结的两种电容效应：扩散电容(diffusion capacitance)CD和势垒电容(barrier（depletion）capac
10、itance)CB 。,扩散电容：形成正向电流（扩散电流）时注入P 区的电子在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越高，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。,3.2.5 PN结的电容效应（parasitic capacitance）,当正向电压有一变化时：,(1-27),势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,(1-28),PN结的电容效应是CD和CB的综合反映。正向偏置时，结电容较大（ CD ）；而反向偏置时，结电容较小（ CB ）。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容
11、和扩散电容的综合效应,(1-29),半导体二极管图片,3.3 半导体二极管(diode),(1-30),(1-31),阳极,(1-32),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、面接触型和平面型三大类。,(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。,3.3.1 二极管的结构(physical structure),(1-33),(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(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,(4) 二极管的代表符号(sym
12、bol),(1-34),二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,3.3.2 二极管伏安特性 volt-ampere characteristic,(1-35),门坎电压,正向特性为指数曲线,反向电流为常量,T（）在电流不变情况下管压降v 反向饱和电流IS，V(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,温度对特性的影响,(1-36),特性参数值,(1-37),3.3.3 二极管的参数,(1-38),（1） 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,（2） 反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电
13、性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半。,(1-39),（3） 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,(4) 极间电容Cd Cd =CD+CB,(1-40),(5) 反向恢复时间TRR,扩散电容的影响 二极管由正向导通到反向截止需经历积累的多子的消散过程,(1-41),3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.2 二极管正向V-I 特性的建模,1.理想模型（ideal di
14、ode),iD,当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析,3.4.1 简单二极管电路的图解分析法略，自学。,(1-42),2.恒压降模型（offset model),二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才能应用该模型进行合理的近似计算。,(1-43),3.折线模型(piecewise linear diode model),认为其导通压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个恒压源与一个电阻的串联进一步的近似。 rD近似为 200。,(1-44),4.小信号模型(small signal model),当二极管在其导
15、通后伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看成一条直线。 小信号模型的微变等效电阻rd26（mv）/ID。,vD,iD,3.4.3 模型分析法应用举例,(1-45),稳压管（Zener diode),V,I,曲线越陡，电压越稳定。,3.5 特殊二极管,(1-46),稳压管稳压电路,负载增加,电源电压波动VI增加使,(1-47),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的主要参数:,（1）稳定电压 VZ,（3）动态电阻,(1-48),稳压管的选择,首先根据稳定电压预选稳压管2CW107，然后选择限流电阻：,根据电路实际选定的限流电阻，校验稳压管的功率定额。,取R47,校验：,限流电阻的功率：,(1-49),本章重点,PN结的形成及特性 二极管应用电路的分析与计算 稳压电路的设计原则,本章作业：3.4.7 3.4.9 3.4.10 3.5.4,其它型式的特殊二极管请自学。,
