1、2 半導體二極管及應用電路,第二章 半導體二極管及應用電路,2.1.1 半導體材料 其導電能力介于導體和絕緣體之間。常用的半導體材料有：元素半導體，如硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）等。以及摻雜或制成其它化合物半導體的材料。 半導體具有某些特殊性質：如壓敏熱敏及摻雜特性，導電能力改變。,2.1 半導體基礎知識,第二章 半導體二極管及應用電路,2.1.2 本征半導體，空穴及其導電作用,1 .本征半導體的結構特點,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,第二章 半導體二極管及應用電路,本征

2、半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,第二章 半導體二極管及應用電路,硅和鍺的共價鍵結構,第二章 半導體二極管及應用電路,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。,共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.本征

3、半導體的導電原理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,（1）載流子、自由電子和空穴,第二章 半導體二極管及應用電路,自由電子,空穴,束縛電子,第二章 半導體二極管及應用電路,（2）本征半導體的導電原理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。,本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載

4、流子，即自由電子和空穴。,第二章 半導體二極管及應用電路,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.1.4雜質半導體,（1）N型半導體 在本征Si和Ge中摻入微量V族元素后形成的雜質半導體稱為N型半導體。 所摻入V族元素稱為施主 雜質，簡稱施主 （能供給自由電子）。,雜質半導體：在本征半導體中人為摻入某種“雜質”元素形成的半導體。分為N型半導體和

5、P 型半導體。,第二章 半導體二極管及應用電路,（2）P型半導體： 在本征Si和Ge中摻入微量族元素后形成的雜質半導體稱為N型半導體。所摻入族元素稱為受主雜質，簡稱受主（能供給自由電子）。下圖所示（圖2-2） P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。,第二章 半導體二極管及應用電路,少量摻雜，平衡狀態(tài)下：ni2 =n0p0 其中，ni 為本征濃度，n0 為自由電子濃度，p0 為空穴濃度 溫度增加，本征激發(fā)加劇，但本征激發(fā)產(chǎn)生的多子遠小雜質電離產(chǎn)生的多子。 半導體工作機理：雜質是電特性。 Si半導體比Ge半導體有更高的溫度。因為同溫度時，Si半導體比Ge半導體本征激發(fā)弱，更高的溫度Si半導體才

6、會失去雜質導電特性。,（3）雜質半導體的載流子濃度：,第二章 半導體二極管及應用電路,2.2 PN結的形成及特性,PN結：將P型和N型半導體采用特殊工藝制造成半導體半導體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結。,內(nèi)建電場：由N區(qū)指向P區(qū)的電場E。阻止兩區(qū)多子的擴散。電場E產(chǎn)生的兩區(qū)少子越結漂移電流將部分抵消因濃度差產(chǎn)生的使兩區(qū)多子越結的擴散電流。 擴散進一步進行，空間電荷區(qū)內(nèi)的暴露離子數(shù)增多，電場E增強，漂移電流增大，當擴散電流=漂移電流時，達到平衡狀態(tài)，形成PN結。無凈電流流過PN結。,2.2.1 PN結的形成,第二章 半導體二極管及應用電路,第二章 半導體二極管及應用電

7、路,PN結形成過程分解：,第二章 半導體二極管及應用電路,2.2.2 PN結的單向導電特性 無外接電壓的PN結開路PN結，平衡狀態(tài)PN結 PN結外加電壓時外電路產(chǎn)生電流 1.正向偏置（簡稱正偏） PN結 PN結外加直流電壓V：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負電位）正偏正向電流,第二章 半導體二極管及應用電路,PN結加正向電壓的 情形,第二章 半導體二極管及應用電路,第二章 半導體二極管及應用電路,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.反向偏置（簡稱反偏） PN結反偏：P區(qū)接低電位（負電位），N區(qū)接高電位（正電位）。 硅PN結的Is 為

8、pA級 溫度T增大 Is,第二章 半導體二極管及應用電路,PN 結反向偏置,第二章 半導體二極管及應用電路,3.PN結的伏安特性 （1）PN結的伏安特性曲線,第二章 半導體二極管及應用電路,（2）PN結的電流方程,PN結所加端電壓U與流過它的電流I的關系為：,其中Is為反向飽和電流，UT為kt/q，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，q為電子的電量，常溫下，T300K時，UT可取26mv,對于二極管其動態(tài)電阻為：,第二章 半導體二極管及應用電路,二極管處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結的電流很小，但電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿形式分為兩種：雪

9、崩擊穿和齊納擊穿。 齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子空穴對，致使電流急劇增加。 *擊穿并不意味著PN結燒壞。,2.2.3 PN結的反向擊穿,第二章 半導體二極管及應用電路,雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當反向電壓較高時，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應。 對于硅材料的PN結來說，擊穿電壓7v時為雪崩擊穿，4v時為齊納擊穿。在4v與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結的單向導電性，我們在使用時要避免。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.3 半導體二極管,半導體二極管的幾

10、種常見外形,第二章 半導體二極管及應用電路,2.3.1 半導體二極管的結構,PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。,點接觸型,面接觸型,第二章 半導體二極管及應用電路,2.3.2伏安特性,第二章 半導體二極管及應用電路,2.3.3.主要參數(shù),1.最大整流電流 IOM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2.反向擊穿電壓UBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。,第二章 半導體二極管及應用電路,3. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流

11、大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。,第二章 半導體二極管及應用電路,4. 微變電阻 rD,uD,rD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化與電流的變化之比：,顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。,第二章 半導體二極管及應用電路,5. 二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。,勢壘電容：勢壘區(qū)是積累

12、空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。,第二章 半導體二極管及應用電路,擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。,第二章 半導體二極管及應用電路,CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。,PN結高頻小信號時的等效電路：,勢壘電容和擴散電容的綜合效應,第二章 半導體二極管及應用電路,2.4 二極管基本電路及其分析方法,二極

13、管是一種非線性器件，因而二極管一般要采用非線性電路的分析方法。在此主要介紹模型分析法。 簡單的模型便于近似估算，較復雜的模型為借助計算機解題提供基礎。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.4.1 二極管正向伏安特性的建模,1.理想模型 如圖所示，在正向偏置時，其管壓降為0V，而當二極管處于反向偏置時，認為它的電阻為無窮大，電流為零。,在實際電路中，當電源電壓遠比二極管的管壓降大時，利用此法來近似分析。,第二章 半導體二極管及應用電路,2.恒壓降模型 如圖所示，當二極管處于正向偏置時，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而改變，典型值為0.7V。,不過，這只有當二極管的電流iD近似等于或大于1mA時

14、才是正確的。該模型提供了合理的近似，因此，應用也較廣。,第二章 半導體二極管及應用電路,為了較真實地描述二極管的伏安特性，在恒壓降模型的基礎上，作一定地修正，即二極管的壓降，隨電流的增加而增加，可以用一個電源和內(nèi)阻rD來近似。,3.折線模型,第二章 半導體二極管及應用電路,4.小信號模型,由右圖可看出未變電阻rD可直接得出，即,我們知道，二極管的伏安特性表達式,第二章 半導體二極管及應用電路,我們可以得出下式：,即 rD=UT/ID,第二章 半導體二極管及應用電路,2.5 特殊二極管,2.5.1 穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管；這種管子的雜質濃

15、度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強電場。當反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿。,第二章 半導體二極管及應用電路,（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。,（5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二極管的參數(shù):,（1）穩(wěn)定電壓 UZ,（2）電壓溫度系數(shù)U（%/）,（3）動態(tài)電阻,第二章 半導體二極管及應用電路,穩(wěn)壓二極管的應用舉例,穩(wěn)壓管的技術參數(shù):,負載電阻 。,要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。,解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。,第二章 半導體二極管及應用電路,令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。,聯(lián)立方程1、2，可解得：,第二章 半導體二極管及應用電路,利用反偏時勢壘電容工作于電路的二極管變?nèi)荻O管，簡稱變?nèi)莨堋?2.5.2 變?nèi)荻O管,第二章 半導體二極管及應用電路