第六章半導體二極管及其應用電路1第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1半導體材料

6.1.1本征半導體

6.1.2N型半導體

6.1.3P型半導體第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三

6.1半導體材料

導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料的電導率。正是利用半導體材料的這些性質，才制造出功能多樣的半導體器件。第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體鍺：

1886年2月，德國化學家Winkler向德國化學協(xié)會作了關于發(fā)現(xiàn)鍺報告，并將此元素命名為Germanium以紀念其祖國Germany。鍺在地殼中含量為0.0007%，較金、銀、鉑的含量均高，由于資源分散，增加了冶煉困難，屬于稀有元素一類。鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體硅：

1823年，瑞典的貝采利烏斯，用氟化硅或氟硅酸鉀與鉀共熱，得到粉狀硅。硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構成的，這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。硅是一種半導體材料，可用于制作半導體器件和集成電路。第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。在絕對溫度零度(即0K，相當于-273℃)，且無外界激發(fā)時，本征半導體無自由電子，和絕緣體一樣不導電。

當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響，某些共價鍵中的價電子獲得了足夠的能量，足以掙脫共價鍵的束縛，躍遷到導帶，成為自由電子，同時在共價鍵中留下相同數(shù)量的空穴。第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產生的自由電子和空穴對。空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體本征激發(fā)

動畫第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體空穴的運動

動畫第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1本征半導體本征半導體特點：電子濃度＝空穴濃度

缺點：載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！本征半導體的導電能力弱。如果摻入微量的雜質元素，導電性能就會發(fā)生顯著改變。按摻入雜質的性質不同，分N型半導體和P型半導體，統(tǒng)稱為雜質半導體。

第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2N型半導體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的5價元素，如磷（P），則硅晶體中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2N型半導體第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3P型半導體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價元素，如硼（B）或鋁（Al），則硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子代替。因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3P型半導體第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三雜質對半導體導電性的影響小結摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2PN結的形成及特性

6.2.2

PN結的單向導電性

6.2.3PN結的電容效應

6.2.4

PN結的反向擊穿

6.2.1PN結的形成第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.1PN結的形成第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.1PN結的形成第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.1PN結的形成對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.1PN結的形成PN結的形成

動畫第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2PN結的單向導電性

如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現(xiàn)低阻性。

PN結加正向電壓時的導電情況6.2.2PN結的單向導電性第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2PN結的單向導電性PN結加正向電壓動畫第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現(xiàn)高阻性。

PN結加反向電壓時的導電情況6.2.2PN結的單向導電性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關，這個電流也稱為反向飽和電流。第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2PN結的單向導電性PN結加反向電壓動畫第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三

PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2PN結的單向導電性

PN結V-I特性表達式：其中:PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下(T=300K）:第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3PN結的電容效應PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容CB

二是擴散電容CD第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3PN結的電容效應(1)勢壘電容CB勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容示意圖第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3PN結的電容效應(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3PN結的電容效應擴散電容示意圖當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.2.4PN結的反向擊穿

當PN結的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3半導體二極管

6.3.1半導體二極管的結構

6.3.2二極管的伏安特性

6.3.3二極管的主要參數(shù)第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1半導體二極管的結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管點接觸型二極管結構示意圖

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2二極管的伏安特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2二極管的伏安特性當V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2二極管的伏安特性

溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如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。

另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負的溫度系數(shù)。第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2二極管的伏安特性溫度對二極管伏安特性曲線的影響第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.3二極管的主要參數(shù)半導體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結電容Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR——和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.3.3二極管的主要參數(shù)(4)正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作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；鍺二極管在微安(A)級。

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0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。

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

rd=VF/IF(3)反向電流IR第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三半導體二極管圖片第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4

二極管電路分析方法

6.4.1圖解分析方法

6.4.2簡化模型分析方法第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三例1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）電路模型第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三2．模型分析法應用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設當VDD=1V時，（自學）（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三2．模型分析法應用舉例（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三2．模型分析法應用舉例（4）開關電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向導通。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期三2．模型分析法應用舉例（6）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪