南通大学模电课件第三章

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1、第3章 二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 自然界的许多物质可分为： 导体：铜、铝、银 绝缘体：橡胶、陶瓷、塑料、石英 半导体：硅、锗（元素半导体）、砷化镓（化合物半导体） 常用的半导体为硅Si 和锗Ge 说明：半导体受光、热刺激, 或微量掺杂导电能力显著增强，易控制，应用广；这是其在电子领域中广泛应用的关键.,3.1.2 半导体的共价键结构 以硅为例 原子核为（14），14个电子（分能级），能量大的，离核远。, 吸收或释放能量将使电子的能级变化，最外层的4个，能量大，束缚力小，最易变化。, 原子结构简化模型（硅、锗）： 外层有4个电子, 半导体材料：与许多金

2、属和绝缘体一样，具有晶体结构。 硅、锗，原子核外层有4个电子，原子按晶格排列。相邻原子间为“共价键”结构。 外层电子称为价电子。,简化模型（硅、锗）,共价键：是表示两个共有价电子所形成的束缚作用。每一个硅（锗）原子都与周围四个原子构成“共价键”，即每个外层电子为两个原子所共有，互相吸引，很牢固。,每个电子均为两个原子所共有，被共价键所束缚。,吸收能量，挣脱共价键的束缚。其受束缚适中故称为半导体。电子带负电 。,空穴：形象比喻，电子离开后，原位即为空穴。空穴带正电。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,空穴及其导电作用： 在外部激发下，少数共价键中的电子成为自由电子（称载流子） 键内出现空

3、穴（即出现正离子）。,说明：导体中没有空穴，这是半导体区别于导体的重要特征。,本征半导体： 完全纯净、结构完整的晶体纯净半导体。,本征激发： 被束缚的价电子受到激发而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。,空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流,空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流。,由此可见： (1)空穴与自由电子的运动方向相反，在外电场作用下都参与导电。 (2)半导体中的载流子数目越多，形成的电流也越大。 (3)T=0K时，没有热激发，电子不能传导电流，但又不同于绝缘休。,热激发 自由电子,空穴载流子,电子载流子,注

4、： 两种载流子的运动（带正电荷的空穴和带负电荷的电子）。 这种复合运动是不停的，在无外加定向电压时，是杂乱无章的。,本征激发常温下的热激发，在本征半导体中称为本征激发。本征激发的自由电子和空穴总是成对出现的，即电子空穴对。（自由电子数=空穴数） 载流子的浓度随温度的增加而显著增加导电能力增加。 半导体的导电性能对温度很敏感，这是半导体的重要特性。 3.1.4杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。 根据掺杂性质不同，可分为和空穴半导体（P型） 电子半导体（N型）。,1）P型半导体 掺入多出空穴元素的半导体；导电以空穴为主。 掺入少量3价元素硼。 硼原子外层有

5、3个电子，与硅组成共价键后，因缺1个电子而形成空穴。,硼原子在硅晶体中能接受电子，称硼为“受主杂质”，或P型杂质。除硼外，镓、铝、铅、铟外层也是3个电子。 在P型半导体中，多子空穴；少子自由电子。,2）N型半导体 掺入多出价电子元素的半导体；导电以电子为主。 在硅（或锗）晶体中掺入5价的磷（或锑），外层5个电子中的4个与硅组成共价键，多余1个电子自由电子（仅须很小的能量）。虽掺杂很微但载流子的浓度要远高于本征激发的自由电子的浓度。 磷原子在硅晶体中能提供电子，称磷为“施主杂质”，或N型杂质。在N型半导体中，多数载流子电子；少数载流子空穴。 注：整体呈电中性。,3）掺杂后的导电性能 不掺杂：晶体

6、的导电性能近乎绝缘体。 掺杂后：半导体中具有多子和少子，这与本征半导体中的电子空穴对具有关键的差别。 掺杂微量：大大提高了半导体的导电能力。常温下，每个杂质原子可提供一个可成为自由电子的价电子 （或空穴）,其数量远大于本征半导体激发的电子（或空穴）的浓度， 掺杂对半导体的导电性能起了关键作用。,注： 少子是本征激发而产生的，虽浓度很低,但对温度很敏感，它将影响半导体的导电性能。 而多数载流子的浓度基本等于掺杂原子的浓度，故受温度影响小。,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,3.2 PN结的形成及特性 在一

7、块完整的硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺形成N型和P型半导体。 漂移：电场作用下的载流子的运动。扩散：浓度差引起的载流子的运动。 1.PN结的形成 P型半导体与N型半导体交界处 空间电荷区，即PN结,多子的浓度差（P、N区的） 多子扩散（在交界处）复合正、负离子空间电荷区产生内电场阻碍多子扩散、使少子漂移最终平衡空间电荷区宽度不变（很小）。,PN结的形成原理：,内电场 ,非空间电荷区呈低阻，空间电荷区具有阻止电流作用，呈高阻，越宽电阻越大。 平衡并非停止了扩散和漂移而是这两种运动处于动态平衡中 扩散浓度差所致（多子）；漂移电场所致（少子）。,说明： VD ：接触电位差，零点几伏。 平衡时，电场

8、力=扩散力，对外呈电中性，外接短路时无电流。 空间电荷区亦称为：阻挡层阻挡扩散；耗尽层多子耗尽（复合掉）；势垒区电子扩散需克服的势能壁垒。, 内电场力,PN结是构成半导体器件的基础。,1）外加正向电压VF （正向偏置，电源正极P端） 正偏空间电荷区变窄PN结电阻变小IF大,当VF VD 时，耗尽区0 。（VD为势垒电压）。扩散力电场力，扩散电流（正向电流）IF 很大（多子运动），PN结呈现低阻。,2、 PN结的单向导电性,2）外加反向电压 （反向偏置，电源正极N端） 外加电压方向与内电场方向相同，内电场加强，阻挡层变宽（只有极少数载流子的漂移），PN结呈高阻。此时的反向电流IS（反向饱和电流）

9、很小（漂移电流，随温度变）。,结论： PN结正偏，正向电流IF较大，PN结呈低阻； 反偏，电流很小（IS），PN结呈高阻； 这就是PN结的单向导电性。 PN结 二极管,3）PN结的伏-安特性 以硅二极管为例，在PN结两端加正、反向电压时，结电流 ID =IS（eVD/VT1） 式中： IS反向饱和电流；VD外加电压；VT温度电压当量；q电子电量。 VT=kT/q=T/11600=0.026V (26mV) (T = 300K时即摄氏27度),当VD 0且VDVT时有：ID ISeVD/VT ，ID呈指数关系上升。 当VD 0且 VD VT时有： ID IS ， ID为常数，很小 。,注：当T，

10、正向曲线左移，因为少子浓度上升，IS增大（在同样的VD下），ID上升。 反向电压大到一定程度PN结击穿，反向电流急剧增大。,3、 PN结的反向击穿 反向击穿有两种：电击穿和热击穿。 1）电击穿 当反向电压增加到一定程度时，可能产生电击穿。强电场自由电子、空穴数 反向电流（陡增） 。有两种：,雪崩击穿：VF内电场自由电子、空穴获得的能量 碰撞电离载流子的倍增效应电流急剧放大 。,齐纳击穿： 强电场可直接破坏共价键结构，分离电子空穴对，形成较大的反向电流，这是杂质浓度大的PN结而具有的特性。 利用这一特点，可制成 稳压二极管。 注：反向电流不超过一定值，不会使结温过高，电击穿是可逆的。,2）热击穿

11、 PN结击穿后，电流很大，电压又很高，其结果是：反向电流增大，结温升高，烧毁PN结热击穿。应避免发生热击穿。 最高结温硅：1500-2000C：锗：750-1000C,3.2.5 PN结的电容效应 (了解即可）,（1） 势垒电容 CB由势垒（空间电荷区）引起，它的表现是空间电荷区内的电荷量随外加电压的变化而变化。等效于电容。反向电压越高，其值越小。（几pf数百pf ）。 （反偏使用时，可作为变容二极管）。,CB在电路中的影响： 结电阻和CB两者并联，反偏时结电阻大，CB虽小但起的作用大；正偏时虽CB大，但结电阻小,CB的作用反而小。,（2）扩散电容CD 正偏浓度差扩散正向电流正偏 浓度差 正向

12、电流,就象载流子“流入”“放出”效应，即等效电容上电荷的变化。 CD也是与r并联。正偏电压高， CD大；反偏时， CD可忽略。数值同CB。,空间电荷区,V引起浓度差,结论： CB和CD同时存在，正偏时主要是CD、反偏时主要是CB起作用。 在低频电路中，两者均可忽略；在高频电路中时，对电路有影响（PN结的单向导电性变差）。 CB和CD都是非线性电容，总的结电容是两者之和。,两种类型半导体二极管： 点接触型特点结面积小，通过较小的电流，CB、CD较小 ； 用于小功率、高频电路，如：检波、开关等。 面接触型特点结面积大,能通过较大的电流，但CB,CD较大； 用于大功率、低频电路，如：整流等。,阴极,

13、阳极,CB势垒电容，CD扩散电容。两者之和为结电容，,3.3半导体二极管 3.3.1结构,3.3.2 二极管的伏-安特性 与PN结大体相同 但因引线电阻和半导体电阻的存在，正向电流较小，反偏时由于表面漏电流的存在使反向电流增加。,1正向特性 加正向电压VD：当VD Vth，电流迅速上升。 Vth门限电压；当VD Vth ，外电场较小，不足以克服PN结的内电场，因而正向电流几乎为零，称之为死区。 门限电压Vth ：硅二极管：0.5V 锗二极管：0.1V,管压降 ：硅二极管：0.7V 锗二极管：0.2V,2反向特性 加反向电压时，反偏使PN结的内电场得到加强，只有少数载流子在反向电压下通过PN结。

14、 反向电流（反向饱和电流）很小。 （锗管大，硅管小）,3反向击穿特性 反向电压增加到一定程度时，反向电流剧增、PN结发热。当热量超过PN结的极限，发生击穿，二极管烧毁。,3.3.3 二极管的主要技术参数 1、最大整流电流 IF ：最大正向平均电流，不能超过此值。 2、反向击穿电压 VBR ： 反向击穿时的电压值。 3、反向电流IR ：未击穿时的反向电流值。其值越小，表明管 子的单向导电性越好，但易受温度影响。,4、极间电容Cd ：Cd=CD+CB，在高频和开关状态下必须考虑。,5、最高工作频率fM： fM主要由结电容大小决定，超过此值， 二极管的单向导电性变差。,说明： 限于制造工艺，同一型号

15、的管子，其参数的离散性也很大。 正向平均电流IF和最高反向工作电压VBR是最主要的参数，使用时要特别注意。,Q,由KVL得：,3.4 基本电路及其分析方法 二极管正向V-I特性的建模在电子电路中应用广泛。如在整流、检波、开关控制、稳压、限幅、变容、发光指示等电路中的应用。,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,VDD/R,ID,VD,斜率为-1/R的负载线,工作点：负载线与VI特性曲线的交点。,注：此方法只适用于VI 特性曲线已知的情况。,VDD,3.4.2 正向V-I特性的建模,1理想模型 看成理想二极管，正向导通，压降为0V；反向截止，电流为0。 用于：工作电压较高，压降相对可以忽略的情况下。,2、恒压降模型 在电路分析时，将正向电压看成一定值。 如：锗管VD =0.2V； 硅管VD = 0.7V。 （较接近二极管的实际情况 ）,3折线模型 在恒压降模型的基础上，再串一开门电阻rD 。在一定范围内，V-I曲线看成线性关系。 rD= V / I =(0.7-0.5)/1mA =200 （注：ID=1mA时， rD =200 ） 适用于信号变化范围较大。,4小信号模型 iD =IS（eVD/VT 1） iD 对 vD 微分，求出电导gd gd= diD / dvD= dIS（eVD/VT ）/ d vD ID/VT （Q点）,由此可得 ：