1.1

PN結(jié)及二極管半導(dǎo)體及PN結(jié)二極管的基本特性二極管的主要參數(shù)及電路模型特殊二極管物體根據(jù)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si、鍺Ge、碳C以及砷化鎵GaAs等。

特點(diǎn):導(dǎo)電能力可控(受控于光、熱、雜質(zhì)等)2021/11/82半導(dǎo)體材料(襯底)有源器件特性2021/11/831.1.1半導(dǎo)體及PN結(jié)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)2021/11/84(1)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對(duì)(3)空穴的移動(dòng)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體,制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。2021/11/851.本征半導(dǎo)體(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺等是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所，在空間形成排列有序的晶體。(a)

硅晶體的空間排列(b)

共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖2021/11/862021/11/（2）電子空穴對(duì)當(dāng)處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，半導(dǎo)體中電子。而當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的，而參與導(dǎo)電，成為電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這是區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖01.02

本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫1-1）因熱激發(fā)而出現(xiàn)的電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡2021/11/88(3)空穴的移動(dòng)電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴而實(shí)現(xiàn)的。圖01.03

空穴在晶格中的移動(dòng)（動(dòng)畫1-2）2021/11/892.雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。2021/11/810(1）N型半導(dǎo)體子在本征半導(dǎo)體中摻成

N型半導(dǎo)體,也稱電因五價(jià)雜質(zhì)原子中導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形因無(wú)共價(jià)鍵而很容在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供

電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。圖01.04

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖2021/11/811(2)

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻形成了P型半導(dǎo)體，也因原子在與硅原子在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空?qǐng)D01.05

P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。2021/11/812(3)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300

K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n=p

=1.4×1010/cm31摻雜后

N

型半導(dǎo)體中的

電子濃度:n=5×1016/cm3本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm33以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。22021/11/813PN結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)2021/11/814(1)

PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng) 多子擴(kuò)散2021/11/815多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。圖01.06

PN結(jié)的形成過程（動(dòng)畫1-3）2021/11/816兩種載流子的兩種運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成PN結(jié)兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散（濃度差）

漂移（電場(chǎng)力）PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場(chǎng)=電阻2021/11/8172021/11/818(2) PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ娦匀敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。①PN結(jié)正偏時(shí)——導(dǎo)通外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。圖01.07

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況（動(dòng)畫1-4）2021/11/819②PN結(jié)反偏時(shí)——截止外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與

PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃

度是一定的，故少子形成

的漂移電流是恒定的，基

本上與所加反向電壓的大

小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為

反向飽和電流。圖

01.08

PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況（動(dòng)畫201-5）2021/11/821結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?/p>

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。(3)

PN結(jié)的電擊穿現(xiàn)象：逐步增大PN結(jié)上的反電壓，直至某一定值(UBR)時(shí)，反向電流急劇增加。種類：

擊穿雪崩擊穿特點(diǎn)：可恢復(fù)2021/11/822擊穿條件：摻雜濃度較高，耗盡層寬度較窄；特點(diǎn)：反向電壓較低(幾伏)時(shí)，即可形成強(qiáng)電場(chǎng)(2×105V/cm)，直接破壞共價(jià)鍵產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。雪崩擊穿條件：耗盡層寬度較寬；特點(diǎn)：在高電壓下少子的漂移加速，動(dòng)能加大，可能與共價(jià)鍵中的價(jià)電子發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象，形成電子—空穴對(duì)，以此類推，形成載流子雪崩式倍增。2021/11/823(4)

PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定：勢(shì)壘電容CB

；擴(kuò)散電容CD

。2021/11/824①

勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中

的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。圖01.09勢(shì)壘電容示意圖2021/11/8252021/11/826擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來(lái)的電子就堆積在P

區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。②擴(kuò)散電容CD圖

01.10 擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。2021/11/8271.1.2二極管的基本特性二極管的結(jié)構(gòu)類型二極管的伏安特性曲線二極管的開關(guān)特性2021/11/8282021/11/8圖

01.11

二極管的29結(jié)構(gòu)示意圖1.二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型2021/11/830(c)平面型圖01.11

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(2)面接觸型二極管—PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(3)

平面型二極管—(b)面接觸型往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。2.

二極管的伏安特性曲線IS

：反向飽和電流uD：二極管兩端壓降UT

=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量k：玻耳

常數(shù)，q

：電子電荷量，T

：熱力學(xué)溫度室溫（相當(dāng)T=300

K），UT=26mV。TuDUI

IS

(e

1)2021/11/831(1)

正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5

V左右，鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.1

V左右。當(dāng)0＜U＜Uth時(shí)，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當(dāng)U＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當(dāng)U＞Uth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。2021/11/8(2)

反向特性當(dāng)U＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：當(dāng)UBR＜U＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS

。當(dāng)U≥UBR時(shí)，反向電流急劇增加，UBR稱為反向擊穿電壓

。2021/11/8在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很??；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|UBR|≥7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|UBR|≤4V時(shí),則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有。2021/11/8343.二極管的開關(guān)特性反向恢復(fù)過程反向恢復(fù)過程形成的原因二極管的開通時(shí)間2021/11/835(1)反向恢復(fù)過程L

UF

uD

UFLFRRIL

URRRItsttts

tt

tre稱為

時(shí)間稱之為渡越時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間2021/11/8(2)反向恢復(fù)過程形成的原因當(dāng)外加輸入電壓由正偏突變?yōu)榉雌珪r(shí)，原來(lái)的少子積累并不會(huì)馬上，而是在反向電場(chǎng)作用下，一方面進(jìn)一步與多子復(fù)合，另一面將漂移到原來(lái)的區(qū)域，即Ｎ區(qū)的空穴漂移至Ｐ區(qū)，而Ｐ區(qū)的電子被拉至Ｎ區(qū)2021/11/837(3)二極管的開通時(shí)間理論上講，二極管從反向截止轉(zhuǎn)向正向?qū)ㄒ嘈枰欢ǖ臅r(shí)間，也稱其為開通時(shí)間，但開通時(shí)間與反向恢復(fù)時(shí)間相比要短得多，它對(duì)二極管的開關(guān)速度幾乎不產(chǎn)生影響，所以一般都忽略不計(jì)。2021/11/8382021/1.1.3

二極管的主要參數(shù)及電路模型二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流

電流的平均值。參數(shù)介紹如下：最大整流電流IF反向擊穿電壓UBR

和最大反向工作電壓UR二極管反向電流

急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓UR一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計(jì)算。1.二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的(3)

反向電流IR在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管的反向電流一般在微安(A)級(jí)。(4)

正向壓降UD(on)在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約

0.5～0.7V；鍺二極管約0.2～0.3V。2021/11/840(5)

動(dòng)態(tài)電阻rdS1)U

T反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。rd與工作電流的大小有關(guān)uDI

I

(eIdDdU

1

UTI

I

Ir

UD當(dāng)T

300K時(shí)，UT

26mVr

262021/11/8溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加：硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降UD(on）大約減小2mV即具有負(fù)的溫度系數(shù)。2021/11/842二極管是一種非線 件，需應(yīng)用線性化模型分析法對(duì)其應(yīng)用電路進(jìn)行分析。2.電路模型2021/11/8432021/11/81.1.4

特殊二極管1、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管(b)(a)符號(hào)(a)(c)44(b)

伏安特性(c)應(yīng)用電路穩(wěn)壓二極管的參數(shù)(1)

穩(wěn)定電壓UZ

——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(2)

動(dòng)態(tài)電阻rZ

——其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。rZ

=UZ

/IZ2021/11/845最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損耗為PZ=UZ

IZ，由PZM和UZ可以決定IZmax。最大穩(wěn)定工作電流IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗