1、，6半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路，6.1半導(dǎo)體材料，6.3半導(dǎo)體二極管，6.4二極管電路分析方法，6.5特殊二極管，6.2 PN結(jié)的形成和特性，半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料導(dǎo)體和絕緣體之間具有導(dǎo)電性的材料稱(chēng)為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)外部因素如光、熱、電和磁的變化非常敏感，并且這種材料的導(dǎo)電性可以通過(guò)在半導(dǎo)體材料中摻雜少量雜質(zhì)來(lái)控制。正是通過(guò)利用半導(dǎo)體材料的這些特性，可以制造具有各種功能的半導(dǎo)體器件。本征半導(dǎo)體鍺：其在地殼中的含量為0.0007%，高于金、銀和鉑。鍺單晶可用作晶體管，是第一代晶體管材料。本征半導(dǎo)體，硅：地殼中硅的含量是除氧以外最多的元素。地殼的主要部

2、分由硅質(zhì)巖層組成，這些層幾乎完全由二氧化硅和各種硅酸鹽組成。硅是一種半導(dǎo)體材料，可以用來(lái)制造半導(dǎo)體器件和集成電路。6.1.1本征半導(dǎo)體簡(jiǎn)化了模型。因此，當(dāng)絕對(duì)溫度為零(即0 K，相當(dāng)于-273)并且沒(méi)有外部激勵(lì)時(shí)，本征半導(dǎo)體沒(méi)有自由電子，并且像絕緣體一樣不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體具有純化學(xué)成分的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上是單晶。在室溫下，只有少數(shù)價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)而獲得足夠的能量，脫離共價(jià)鍵而成為自由電子(稱(chēng)為熱激發(fā))，并在相應(yīng)的共價(jià)鍵中留下空穴。自由電子和空穴總是相互伴隨，成對(duì)出現(xiàn)，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。空穴相當(dāng)于帶正電荷的粒子，其電荷與電子相同。在電場(chǎng)作用下能形成電流的帶電粒子叫做載流子，所以電子和空穴都是載

3、流子。硅原子形成晶格結(jié)構(gòu)，即使電離，它們也不能作定向運(yùn)動(dòng)來(lái)形成電流，而電流不是載流子。除了熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，光也能激發(fā)電子-空穴對(duì)，這反過(guò)來(lái)影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。根據(jù)摻雜雜質(zhì)的性質(zhì)，分為氮型半導(dǎo)體和磷型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。6.1.2氮型半導(dǎo)體，如果在硅(或鍺)晶體中摻雜少量五價(jià)元素，如磷，硅晶體中某些位置的硅原子將被磷原子取代。雜質(zhì)元素電離成帶正電的離子。正離子通過(guò)共價(jià)鍵與晶格結(jié)合，不能定向運(yùn)動(dòng)形成電流。在摻雜施主雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，稱(chēng)為“多載流子”，空穴是少數(shù)載流子，稱(chēng)為“少數(shù)載流子”。被稱(chēng)為電子半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。6.1.3磷型半導(dǎo)體，當(dāng)少量三價(jià)元素如

4、硼或鋁摻雜到硅(或鍺)晶體中時(shí)，硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子取代?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。它被稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，6.2結(jié)的形成和特性，而N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體本身的導(dǎo)電性沒(méi)有方向性，也就是說(shuō)，它對(duì)電流的流動(dòng)方向沒(méi)有選擇性。p型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過(guò)一定的摻雜工藝制作在同一個(gè)硅片上，在兩個(gè)半導(dǎo)體的界面上形成PN結(jié)。PN結(jié)對(duì)電流的流向有選擇性，這被稱(chēng)為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴? . 2 . 1pn結(jié)的形成、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：不同濃度差異引起的粒子轉(zhuǎn)移。耗盡區(qū)、勢(shì)壘區(qū)和空間電荷區(qū)：靠近界面，空穴和電子相遇并重新結(jié)合，載流子消失，出現(xiàn)由不動(dòng)的帶電離子組成的空間電荷區(qū)。漂移運(yùn)動(dòng)：少數(shù)載流

5、子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)形成漂移電流。6 . 2 . 2pn結(jié)的單向?qū)щ娦裕?。加上直流電壓，電源的正極連接，加上一個(gè)小的直流電壓，可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流，為了避免燒壞PN結(jié)，電路應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)電阻R來(lái)限制電流。2.施加反向電壓，電源的正極連接到N區(qū)，電源的負(fù)極連接到P區(qū)，稱(chēng)為PN結(jié)反向偏置。當(dāng)PN結(jié)被反向偏置時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)在與外部電場(chǎng)相同的方向上被加強(qiáng)，這加寬了空間電荷區(qū)域，阻礙了許多載流子的擴(kuò)散，并且有利于少數(shù)載流子的漂移。因?yàn)樯贁?shù)民族兒童的數(shù)量很少，反向電流也很小。此外，在一定溫度下，少數(shù)載流子濃度也是一定的，這導(dǎo)致反向電流在一定范圍內(nèi)基本上不隨施加的電壓而變化。這個(gè)特性被稱(chēng)為反向電流的飽

6、和特性。反向飽和電流IS，PN結(jié)的3伏安特性，為指數(shù)函數(shù)：電流和電壓的參考方向?yàn)閺膒區(qū)到n區(qū)，反向飽和電流小于10nA(1nA=10-9A)。VT是溫度等效電壓。VT與溫度的關(guān)系如下：t是熱力學(xué)溫度(0K=-273)，q(=1.610-9C)是電荷，k(=1.3810-23 J/K)是玻爾茲曼常數(shù)。室溫下(溫度=27=300千)，電壓=26毫伏。PN結(jié)的伏安特性曲線：死區(qū)、正向?qū)▍^(qū)、反向截止區(qū)，6 . 2 . 3pn結(jié)的電容效應(yīng)、電荷的空間積累和耗散是電容效應(yīng)。1.勢(shì)壘電容，當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，空間電荷面積變窄，電荷量減少；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，電荷量增加。PN結(jié)空間電荷區(qū)電荷

7、積累和耗散的等效電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容，表示為Cb。擴(kuò)散電容，當(dāng)施加直流電壓時(shí)，p區(qū)的空穴通過(guò)耗盡區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)的邊界，成為n區(qū)的少數(shù)載流子；n區(qū)中的電子擴(kuò)散通過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)p區(qū)的邊界，并成為p區(qū)中的少數(shù)載流子。因此，大量電子(少數(shù)載流子)累積(存儲(chǔ))在P區(qū)，大量空穴(少數(shù)載流子)存儲(chǔ)在N區(qū)，它們統(tǒng)稱(chēng)為存儲(chǔ)電荷(或不平衡少數(shù)載流子)。正向電流改變時(shí)，存儲(chǔ)的電荷也改變，這相當(dāng)于電容元件的充電和放電，其等效電容稱(chēng)為擴(kuò)散電容，記錄為Cd。PN結(jié)的總等效結(jié)電容是勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和，即PN結(jié)的反向擊穿、反向截止面積和反向擊穿面積。當(dāng)反向電壓達(dá)到一定值時(shí)，反向電流急劇上升，這稱(chēng)為反向擊穿。對(duì)應(yīng)于反向擊穿的反向電

8、壓稱(chēng)為反向擊穿電壓，并記錄為VBR。PN結(jié)反向擊穿的機(jī)理可分為齊納擊穿和雪崩擊穿。當(dāng)摻雜濃度較高，耗盡層寬度較窄時(shí)，在小的反向電壓作用下，形成一個(gè)強(qiáng)的內(nèi)部電場(chǎng)(2107伏/米)，直接從原子的共價(jià)鍵中“拉”出價(jià)電子，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，反向電流急劇增加。這種擊穿被稱(chēng)為“齊納擊穿”。當(dāng)摻雜濃度低時(shí)，耗盡層寬度寬，內(nèi)部電場(chǎng)小，并且不會(huì)發(fā)生齊納擊穿。然而，當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)使電子從P區(qū)的漂移速度不斷增加，并獲得足夠的動(dòng)能來(lái)撞擊共價(jià)鍵中的價(jià)電子，從而獲得足夠的能量來(lái)擺脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這稱(chēng)為雪崩擊穿。反向截止區(qū)、反向擊穿區(qū)、雪崩擊穿和齊納擊穿統(tǒng)稱(chēng)為電擊穿。電擊穿是可逆的，只

9、要反向電壓降低，就可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。然而，在電擊穿之后，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?，PN結(jié)將消耗大量的功率，并且由于高電流和高電壓而產(chǎn)生熱量，這將由于過(guò)電壓而對(duì)PN結(jié)造成永久性的損壞，6.3.2二極管的伏安特性，硅二極管2CP10，鍺二極管2AP15，1。二極管作用于直流電壓的正向特性：伏安特性曲線，死區(qū)，正向?qū)▍^(qū)，Vth，Vth:閾值電壓或死區(qū)電壓，硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1v，von:導(dǎo)通電壓，硅管的Von為0.60.8V，通常取固定值0.7V；鍺管的Von為0.20.3v，通常固定在0.2V，二極管的伏安特性為6.3.2，硅二極管2CP10的伏安特性，鍺二極管2A

10、P15的伏安特性，二極管作用反向電壓的反向特性：伏安特性曲線，沒(méi)有PN結(jié)反向擊穿。死區(qū)、正向傳導(dǎo)區(qū)、Vth、硅二極管為0.1A(微安)，鍺二極管為幾十微安。反向截止區(qū)、反向擊穿區(qū)、二極管的6.3.2伏安特性、硅二極管2CP10的伏安特性、鍺二極管2AP15的伏安特性。反向擊穿特性：死區(qū)，正向傳導(dǎo)區(qū)，Vth，反向截止區(qū)，反向擊穿區(qū)，對(duì)應(yīng)于二極管PN結(jié)反向擊穿(電擊穿)。4.二極管的溫度特性。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熱量激發(fā)半導(dǎo)體的少數(shù)載流子，這使得二極管的正向特性向左移動(dòng)，而反向特性向下移動(dòng)。在室溫附近，正向壓降降低22.5毫伏；溫度每升高1度。當(dāng)溫度上升10度時(shí)，反向電流加倍。6.3.3二極管的主要

11、參數(shù)，1最大平均整流電流中頻，中頻指二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流。最大反向工作電壓VR，VR是二極管允許的最大反向工作電壓，通常是反向擊穿電壓的一半。為了安全運(yùn)行，實(shí)際工作電壓應(yīng)小于20V。3反向電流IR，IR是沒(méi)有反向擊穿的二極管的反向電流，大約等于PN結(jié)的反向飽和電流。紅外線受溫度影響很大。也就是說(shuō)，隨著溫度的升高，紅外線也隨之升高。電極間電容Cj或最高工作頻率fm，電極間電容Cj包括二極管的PN結(jié)電容和電極引線電容。6.4二極管電路分析法，二極管的伏安特性近似為PN結(jié)的伏安特性：6.4.1圖解法，例6.1已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)中粗實(shí)線所示，試求圖(b)中電路中

12、二極管的電流和電壓。已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)中粗實(shí)線所示。試著找出圖(b)中電路中二極管的電流和電壓。解：(毫安)由電路得出，上式中單位為毫安，單位為伏。DC負(fù)載線與二極管特性曲線的交點(diǎn)Q(VDQ，IDQ)即為解，即：由于電路只有DC電壓源，電路中的電流和電壓都是直流，不隨時(shí)間變化，這就是所謂的靜態(tài)。q點(diǎn)稱(chēng)為二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。(b)、解：DC負(fù)載線與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)，解為直線與縱軸的截距為1.2mA，斜率與DC負(fù)載線相同，如圖中直線所示。二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)為點(diǎn)A，解為：當(dāng)，時(shí)，直線與縱軸的截距為0.8mA，斜率與DC載重線的斜率相同，如圖6.4.3中的直線

13、所示。與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)為b點(diǎn)。解決方法是，總的來(lái)說(shuō)，二極管的電流和電壓分別為33，360，6.4.2。小信號(hào)模型法用于求解非線性元件靜態(tài)運(yùn)行附近的電流和電壓的交流分量。讓二極管靜態(tài)工作點(diǎn)q的坐標(biāo)為(VDQ，IDQ)。靜態(tài)工作點(diǎn)的二極管電流差為：在電路中，微型元件是交流電。因此，用交流電流和交流電壓代替它，得到：在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，二極管的交流電流與交流電壓成正比，其特性為3336由于DC電源的端電壓是固定的，交流電流通過(guò)DC電源引起的端電壓變化為零，相當(dāng)于交流通道對(duì)交流電流短路。在例6.2中已經(jīng)計(jì)算出二極管的靜態(tài)電流IDQ=0.85毫安，那么，從圖(b)中的電路來(lái)看，與例6.2相比，交

14、流電流誤差較小，但交流電壓誤差較大。主要原因是圖解法的繪圖精度不高。當(dāng)信號(hào)頻率小于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)的電容效應(yīng)不明顯，二極管相當(dāng)于一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。當(dāng)信號(hào)頻率高于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)具有明顯的電容效應(yīng)。二極管的小信號(hào)模型被修改為與動(dòng)態(tài)電阻并聯(lián)的PN結(jié)電容。二極管的低頻小信號(hào)模型，二極管的高頻小信號(hào)模型，6.4.3分段線性模型法，二極管的分段線性模型包括理想模型、恒壓降模型和折線模型。理想模型，(d)反向偏置模型，(a)伏安特性近似，(b)代表性符號(hào)，以及(c)正向偏置模型。當(dāng)實(shí)際二極管所在電路中的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正向?qū)妷簳r(shí)(通常兩者之比大于10)，可以采用理想的二極管模型。恒

15、定電壓降模型：伏安特性相當(dāng)于理想二極管和DC電壓源馮的串聯(lián)。低功率硅管的Von為0.60.8 v，通常取0.7 v的固定值；低功率鍺管的Von為0.20.3v，通常固定在0.2V。當(dāng)實(shí)際二極管電路的總電阻(不包括二極管)遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電阻(通常兩者之比大于10)時(shí)，可以采用恒壓降模型。的伏安特性相當(dāng)于一個(gè)理想的二極管、一個(gè)DC電壓源Vth和一個(gè)串聯(lián)電阻rD。硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1V；rD被稱(chēng)為導(dǎo)通電阻。如果對(duì)應(yīng)于二極管導(dǎo)通電壓的電流為Ion，那么導(dǎo)通電阻rD約為：當(dāng)實(shí)際二極管所在電路的總電阻(不包括二極管)等于導(dǎo)通電阻(通常兩者之比小于10)時(shí)，可以采用虛線模型。

16、例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)中粗實(shí)線所示。嘗試使用分段線性模型計(jì)算圖(b)中二極管的電流和電壓，并比較誤差。從圖中可以看出，二極管是一個(gè)硅管，承受直流電壓。(1)采用理想模型進(jìn)行計(jì)算。例如，Q的坐標(biāo)是(0.75，0.85)。與圖解法的結(jié)果相比，電流的相對(duì)誤差較大。這是因?yàn)榄h(huán)路電壓(5V)與二極管導(dǎo)通電壓(0.7V)之比小于10，因此在本例中不應(yīng)使用理想模型。恒定電壓降模型用于計(jì)算。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)中粗實(shí)線所示。嘗試使用分段線性模型計(jì)算圖(b)中二極管的電流和電壓，并比較誤差。從圖中可以看出，二極管是一個(gè)硅管，承受直流電壓。Q的坐標(biāo)是(0.75，0.85)。與圖解法的結(jié)果相比，電流的相對(duì)誤差為，電流誤差是可以接受的。原因是回路電阻(5k)與二極管導(dǎo)通電阻(0.25k，見(jiàn)下文)之比大于10，因此在本例中采用恒定電壓降模型可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)中粗實(shí)線所示。嘗試使用分段線性模型計(jì)算圖(b)中二極管的電流和電壓，并比較誤差。從圖中可以看出，二極管是一個(gè)硅管，承受直流電壓。Q的坐標(biāo)是(0.75，0.85)。3.利用虛線模型，從伏安特性曲線可以看