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1、基本要求基本要求1、掌握二极管的结构特性和参数掌握二极管的结构特性和参数2 2、掌握二极管的单向导电性及基本电路、掌握二极管的单向导电性及基本电路2 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路一、半导体的特性一、半导体的特性 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，分为导体、的不同，分为导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 1. 1. 光敏、热敏特性光敏、热敏特性 2. 2. 掺杂特性掺杂特性 1. 半导体的基础知识半导体的基础知识当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光
2、的作用时，它的导电能力明显变化。力明显变化。如光敏电阻如光敏电阻, ,热敏电阻热敏电阻往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。二、本征半导体、空穴及其导电作用二、本征半导体、空穴及其导电作用1. 1. 结构：以结构：以Si,GeSi,Ge为例为例本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净、结结构构完完整整的的半半导导体体。物理结构上呈单晶体形态。物理结构上呈单晶体形态。 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子的四个电子称为价电子SiGe共价键结构平面示意图共价键结构平
3、面示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，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，常温下束缚电子很难脱离共价键成称为束缚电子，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，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。所以本征半导体的导电能力很弱。在硅和锗晶体中，原子按四角形组成晶体点阵，在硅和锗晶体中，原子按四角形组成晶体点阵，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
4、价电子。之间形成共价键，共用一对价电子。2. 2. 共价键共价键这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称，也称热激发热激发自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称这个空位为出现一个空位，称这个空位为空穴空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！3. 3. 空穴及其导电作用空穴及其导电作用当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成为成为自由电子自由电子。束缚束缚电子
5、电子从从视为视为空穴空穴从从 显然，因热激发而出现的显然，因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对自由电子和空穴是同时成对出现的，称为出现的，称为电子空穴电子空穴对。对。半导体中出现半导体中出现两种载流子两种载流子自由电子自由电子 空穴空穴电量相等，极性相反电量相等，极性相反因共价键中出现空穴，在外加因共价键中出现空穴，在外加电场的作用下邻近束缚电子就电场的作用下邻近束缚电子就会填补到这个空位上，而在这会填补到这个空位上，而在这个束缚电子原来位置又会出现个束缚电子原来位置又会出现新的空穴，以后其他束缚电子新的空穴，以后其他束缚电子又可转移到这，这样就在共价又可转移到这，这样就在共价键中出现一定
6、的键中出现一定的电荷迁移电荷迁移。三、杂质半导体三、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的某种元素作为在本征半导体中掺入微量的某种元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型型( (电子电子) )半导体半导体掺入五价杂质元素掺入五价杂质元素(如磷如磷) P型型( (空穴空穴) )半导体半导体掺入三价杂质元素掺入三价杂质元素(如硼如硼) 因三价杂质原子在与硅因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，原子形成共价键时，缺少缺少一一个价电子而在共价键中留下个价电子而在共价键中留下一个一个空
7、穴空穴。 在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，它主要由掺杂，它主要由掺杂形成形成；自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。P为为Positive的字头。的字头。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。因而三价杂质也称为因而三价杂质也称为受主杂质受主杂质。1. P1. P型半导体型半导体 五价杂质原子中只有五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而价电子因无共价键束缚而
8、容易形成自由电子。容易形成自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子，它主要由杂，它主要由杂质原子提供质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由本征激发形成。由本征激发形成。N为为Negative的字头。的字头。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，故称为，故称为施主杂质施主杂质。2. N2. N型半导体型半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征本征SiSi的电子
9、和空穴浓度的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 即多子即多子 少子少子 半导体导电能力主要由杂质决定半导体导电能力主要由杂质决定 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm33. 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响1、PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形成形成P型半导体区型半导体区域和域和N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域的交界处就形成了一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。扩散扩散空间电荷区空间电荷区漂移漂移动态平
10、衡动态平衡 PN PN结。结。多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区图图1.1.5 PN 结的形成结的形成 (a)P区与区与N区中载流子的扩散运动区中载流子的扩散运动 2. PN结和半导体二极管结和半导体二极管在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 P 区区N 区区空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向图图1.1.5 PN 结的形成结的形成 (b)平衡状态下的平衡状态下的PN结结 因浓度差因浓度差 促使少子漂移促使少子漂
11、移 阻止多子扩散阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散 = 少子的少子的漂移漂移 即达到即达到动态平衡动态平衡正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间电荷区，所以内电场也称电荷区，所以内电场也称耗尽层、势垒层耗尽层、势垒层。 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 PNPN结形成物理过程结形成物理过程 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 0 0方向从方向从N P 稳定的稳定的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结 2. PN 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性(1) PN(1) PN结加正向电压结加正向
12、电压( (正偏正偏) )当在平衡当在平衡PNPN结外加电压时，如果正端接结外加电压时，如果正端接P区，负端接区，负端接N区，称区，称为加正向（偏置）电压，简称正偏；反之为加正向（偏置）电压，简称正偏；反之称为加反向（偏置）称为加反向（偏置）电压，电压，简称反偏。简称反偏。 外加的正向电压外加的正向电压E E 有一部分降落在有一部分降落在PN结区，方向与内电结区，方向与内电场场0 0 相反，削弱了内电场相反，削弱了内电场, ,使得多子扩散使得多子扩散 少子漂移。扩少子漂移。扩散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流的影响，在外电路上散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流的影响，在外电路上形成流入形成流入P
13、 P区的电流区的电流I IF F， PN结呈现低阻性，也称结呈现低阻性，也称PNPN结导通结导通。多子数目很大多子数目很大 I IF F 很大很大当当E E，多子扩散加剧，多子扩散加剧I IF F 低电阻，低电阻， PNPN结导通结导通 大的正向扩散电流大的正向扩散电流(P-N)PN结加正向电压结加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定
14、的，基本上与所加反向电压的大小故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流称为反向饱和电流无关，这个电流称为反向饱和电流I IS S 。 且且少子数目很少少子数目很少I IS S 很小很小(A(A级级) )， PNPN结呈现高阻性，也称结呈现高阻性，也称PNPN结截止结截止。(2) PN (2) PN 结加反向电压结加反向电压( (反偏反偏) ) 外加的反向电压外加的反向电压E E有一部分降落在有一部分降落在PNPN结区，方向与结区，方向与PNPN结内结内电场电场0 0方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻碍方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻碍作用作用
15、0 0，而使少子漂移，而使少子漂移反向电流反向电流I IR R 。PN结加反向电压结加反向电压 高电阻，高电阻， PN结截止结截止 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流(N- P)P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流
16、；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。很小的反向漂移电流。结论结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性(3)PN结结V- I 特性表达式特性表达式PN结的伏安特性结的伏安特性V VD D为正且为正且V VD DV VT TV VD D为负且为负且V VD DV VT T其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）n发射系数，发射系数，12在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结
17、面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。二、半导体二极管二、半导体二极管1. 1. 分类分类二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号DS
18、i二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右，Ge二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。 i)i) 当当0 0V VV Vthth时，正向电流为零，时，正向电流为零，V Vthth称为死区或门坎电压称为死区或门坎电压当当V0 即处于正向特性区域，正向区又分为两段：即处于正向特性区域，正向区又分为两段：ii)ii) 当当V VV Vthth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，二极管正向导通。二极管正向导通。Vth2. 2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性(1) (1) 正向特性正向特性Si管正向导通压降约为管
19、正向导通压降约为0.7V;Ge管正向导通压降约为管正向导通压降约为0.2V。Si二极管的反向饱和电流二极管的反向饱和电流IS Vth?是是:D导通导通否否:D截止截止对于理想对于理想D D，只要，只要V V阳阳 V V阴阴导通导通( (且导通后即箝位且导通后即箝位),),否则截止否则截止(3)关于优先导通关于优先导通(V阳阳V阴阴)大的二极管优先导通且箝位大的二极管优先导通且箝位D2:V阳阳2V阴阴2=6v-(-3v)=9vD1:V阳阳1V阴阴1=0v-(-3v)=3vD D2 2优先导通且优先箝位优先导通且优先箝位( (短路短路) )VVAO AO = = 6 6v v，D D1 1受反压截
20、止受反压截止例例:?(1)(1)整流整流( (半波、全波半波、全波) ) 利用利用D的单向导电性的单向导电性半波导通半波导通tVViVOViVo(2)(2)限幅限幅( (削波削波) )单向削波单向削波tV(3)(3)低压稳压低压稳压VD=VthVo(4)(4)开关作用开关作用D导通导通:开关闭和开关闭和D截止截止:开关断开开关断开5.5.二极管应用举例二极管应用举例三、特殊二极管三、特殊二极管1. 1. 光电二极管光电二极管2. 2. 发光二极管发光二极管其其PN结通过管壳上的玻璃窗口接受光照。在反偏状态下运行，反结通过管壳上的玻璃窗口接受光照。在反偏状态下运行，反向电流随光照强度的增加而上升
21、，与照度成正比。向电流随光照强度的增加而上升，与照度成正比。可用来进行光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。可用来进行光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。此管通过电流时将发出光来，是电子与空穴直接复合而放出能量此管通过电流时将发出光来，是电子与空穴直接复合而放出能量的结果。使用的材料不同，光的波长不同，从而颜色也不同。的结果。使用的材料不同，光的波长不同，从而颜色也不同。常作显示器件。也可将电信号转换为光信号，之后经光缆传输，常作显示器件。也可将电信号转换为光信号，之后经光缆传输，再通过光电二极管再现电信号，实现电信号的传输。再通过光电二极管再现电信号，实现电信号的传输。稳压管是
22、特殊的面接触型半导体硅二极管稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其其反向击穿反向击穿是可逆的是可逆的,且反向电压较稳定且反向电压较稳定.伏安特性曲线伏安特性曲线UZ表示反向击穿电压，亦即稳表示反向击穿电压，亦即稳压管能稳定的电压。压管能稳定的电压。稳压管的稳压作用在于：在反稳压管的稳压作用在于：在反向击穿状态，很大的电流变化向击穿状态，很大的电流变化量只能引起很小的电压变化量。量只能引起很小的电压变化量。曲线越陡，稳压性能越好。曲线越陡，稳压性能越好。IZ和和IZM表示工作在稳压状态的表示工作在稳压状态的最小和最大工作电流。反向电最小和最大工作电流。反向电流小于流小于IZ时，稳压管在反向截时，稳压管在反向截止状态，稳压特性消失；大于止状态，稳压特性消失；大于IZM时，稳压管可能被烧毁。时，稳压管可能被烧毁。 3. 3. 稳压二极管稳压二极管
