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1、第三章 半导体二极管及其基本电路,模拟电路,第三章 半导体二极管及其基本电路, 3.1 半导体基础知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 本征半导体,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，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性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。,1）导体、半导体和绝缘体,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
2、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。,2） 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子
3、，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,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。,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,在其它力
4、的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,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。,电子空穴对,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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。,3.1.2 杂质半导体,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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体
5、：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子,每个磷原子给出一个电子，称为施主原子,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半
6、导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,3.2 PN 结,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，经过载流子的移动，在它们的交界面处就形成了PN 结。,3.2.1 PN结的形成,浓度差,P型半导体,N型半导体,扩散运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运
7、动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,有何种影响？,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。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,阻挡层,势垒,耗尽层,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、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。,注意:,3.2.2 PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： 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
8、压。,一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN结导通，电阻小,二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,PN结截止，电阻大,三、PN结V-I特性的表达式理论分析证明，流过PN结的电流iD与外加电压vD之间的关系为(3-2-3)式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关； VT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， VT =26mV。这是一个今后常用的参数。,图311 PN结的伏安特性,由式(
9、3-2-3)可知， 加正向电压时，VD只要大于VT几倍以上，iDIseVD/VT，即iD随VD呈指数规律变化； 加反向电压时，|VD|只要大于VT几倍以上，则iDIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。 由式(3-2-3)可画出PN结的伏安特性曲线，图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。,图311 PN结的伏安特性,(3-2-3),3.2.3 PN结的击穿特性由图311看出，当反向电压超过VBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义VBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,图311 PN结的伏安特性,一、雪崩击穿在轻掺杂的P
10、N结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。,当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。,新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。,碰撞电离,倍增效应,二、齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。,反向击穿过程为电击穿，过程可逆。,热击穿过程不可逆。,3.3 半导体二极管
11、,3.3.1 基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,3.3.2 伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压VBR,3.3.3 主要参数,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。,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
12、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。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,3.3.4 二极管的等效电路1）微变电阻 rD,vD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,根据理论分析,二极管的电流与端电压VD存在如下关系:,2） 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区
13、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。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，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。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,3.4.2 晶体二极管模型对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型
14、将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。,3.4 二极管基本电路及其分析方法,二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。,二极管理想模型,理想二极管,vD0,vDVD,vDVth,vDVth,Vth,理想二极管,二极管死区电压,3.4.3 二极管基本应用电路利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。 一、二极管整流电路把交流电变为直
15、流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图317(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，vo=vi；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， vo =0。其输入、输出波形见图317(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,图317二极管半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,判断原则：断开二极管，判断二极管两端电压,(,b,),vi0,二极管导通,实际二极管整流特性,1V 1kHz,10kHz,100kHz,1MHz,100Hz,10Hz,500mV,导通压降,实际二极管整流特性,400mV,1KHz,300mV,1KHz,R,VDD,D,简单二极管电路,习惯画法,vD,=0,=1mA,vD,=0.7V,vD,=0,=0.1mA,vD,=0.7V,理想模型,恒压降模型,折线模型,VDD=10V,VDD=1V,二、二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图318所示 .,图318二极管上限幅电路及波形 (a)电路 (b)输入、输出波形关系,
