模拟电子技术基础课件：第二、三讲 3 二极管及其基本电路

2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性小结小结2.6 二极管的应用二极管的应用学习指导学习指导作业作业学习指导 电子技术是当代高新技术的龙头。半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。PN结是半导体器件的核心环节。半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。主要内容:1、半导体的基本知识;2、PN结的形成及特点;3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。学习目标：学习目标：1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、正确理解半导体二极管的主要参数；5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导体特性半导体特性 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体 何谓半导体何谓半导体物体分类物体分类导体导体如：金属如：金属绝缘体绝缘体如：橡胶、云母、塑料等。如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体半导体 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件常用的半导体材料常用的半导体材料有：有：元素半导体元素半导体：硅（硅（SiSi）、）、锗（锗（GeGe）化合物半导体化合物半导体：砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）掺杂材料掺杂材料：硼：硼(B)(B)、铟铟(In)(In)；磷磷(P)(P)、锑锑(SbSb)。硅和锗的原子结构简硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象价电子是我们要研究的对象硅晶体的硅晶体的空间排列空间排列硅和锗都是四价元素，它们的原子硅和锗都是四价元素，它们的原子结构外层电子结构外层电子(价电子价电子)数均为数均为4 4个，个，价电子受原子核的束缚力最小，决价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质和导电性能定其化学性质和导电性能共价键表示两个共价键表示两个共有价电子所形共有价电子所形成的束缚作用。成的束缚作用。为了保持原子的电为了保持原子的电中性，原子核用带中性，原子核用带圆圈的圆圈的+4+4符号表示符号表示T=0K T=0K 且且无无外外界界激激发发，只只有有束束缚缚电电子子，没没有有自自由由电电子子，本本征征半半导导体体相相当当于于绝绝缘缘体体；T=300KT=300K，本本征征激激发发，少少量量束束缚缚电电子子摆摆脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%99.9999999%，“九个九个9 9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为称为束缚电子束缚电子价带价带导带导带挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为称为自由电子自由电子价带中留下的空位价带中留下的空位称为称为空穴空穴禁带禁带EG外电场外电场E自由电子定向移动自由电子定向移动形成形成电子流电子流束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成定向移动形成空穴流空穴流两种载流子两种载流子 动画一动画一1.1.本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴2.2.在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反自由电子始终在自由电子始终在导带内导带内运动运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同始终在始终在价带内价带内运动运动空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度电子浓度n ni i =空穴浓度空穴浓度p pi i杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如掺入三价元素如B、Al、In等，等，形成形成P型半导体，也称空穴型半导体型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如掺入五价元素如P、Sb等，等，形成形成N型半导体，也称电子型半导体型半导体，也称电子型半导体杂质半导体杂质半导体 P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入三价元素如在本征半导体中掺入三价元素如B。价带价带导带导带-受主受主能级能级自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成获电子，使杂质原子成为为负离子。负离子。三价杂质三价杂质 因因而也称为而也称为受主杂质受主杂质。杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素如在本征半导体中掺入五价元素如P。价带价带导带导带+施主施主能级能级自由电子是多子自由电子是多子空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 P P型半导体中含有受主杂质，在常温型半导体中含有受主杂质，在常温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。电的受主离子。N N型半导体中含有施主杂质，在常温型半导体中含有施主杂质，在常温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。电的施主离子。除此之外，除此之外，P P型和型和N N型半导体中还有少型半导体中还有少数受本征激发产生的电子数受本征激发产生的电子-空穴对，通常本空穴对，通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多。子少得多。半导体中的正负电荷数相等半导体中的正负电荷数相等保持电中性保持电中性P区区N区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡空间电荷区：由不能移空间电荷区：由不能移动的带电粒子组成，集动的带电粒子组成，集中在中在P P区和区和N N区的交界处区的交界处内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动称扩散运动扩散运动产生扩散电流扩散运动产生扩散电流漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动称漂移运动漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流=漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区又称高阻区又称高阻区也称耗尽层也称耗尽层PNPN结的形成结的形成 动画二动画二空间电荷区变窄，内电场减弱空间电荷区变窄，内电场减弱扩散运动加强扩散运动加强相等相等动态平衡动态平衡 V V PNPN结的接触电位结的接触电位 内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结中产生结中产生电位差。从而形成接触电位电位差。从而形成接触电位V V 接触电位接触电位V V 决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅：V V=0.7=0.7锗：锗：V V=0.2=0.2内电场内电场1.PN1.PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外电场方向与外电场方向与PN结内电结内电场方向相反，削弱了内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。扩散电流远大于漂移电扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影流，可忽略漂移电流的影响。响。PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；内内外外2.PN2.PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外电场与外电场与PN结内电场方结内电场方向相同，增强内电场。向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。下形成的漂移电流加大。此时此时PN结区少子漂移电流结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩大于扩散电流，可忽略扩散电流。散电流。PN结呈现高阻性结呈现高阻性P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏；内内外外由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结结具有单向导电性。具有单向导电性。PN结加正向电压时，呈现低结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电阻，具有较大的正向扩散电流；电流；PN结加反向电压时，呈现高结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电阻，具有很小的反向漂移电流。电流。PNPN结的单向导电性结的单向导电性 动画三动画三式中式中 Is 饱和电流饱和电流;UT=kT/q 等效电压等效电压 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T=300k（室温）时室温）时 UT=26mv由半导体物理可推出由半导体物理可推出：当加反向电压时：当加反向电压时：当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)PN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电流的关系式结电流的关系式PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象流激增的现象雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。成连