part1半導(dǎo)體二極管

1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 PN PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體概念半導(dǎo)體概念依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 導(dǎo)體導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，銅、鋁等金屬材料；有良好的導(dǎo)電能力，銅、鋁等金屬材料； 絕緣體絕緣體基本上不能導(dǎo)電，玻璃、陶瓷等材料；基本上不能導(dǎo)電，玻璃、陶瓷等材料； 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，硅硅(Si (Si Silicon ) )、鍺鍺(Ge)(Ge)、砷化鎵、砷化鎵(Ga

2、As)(GaAs)等材料。等材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)隨隨溫度、光照溫度、光照的變化或因的變化或因摻入某些摻入某些雜質(zhì)雜質(zhì)而發(fā)生顯著而發(fā)生顯著變化。變化。銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線(左上左上)、玻璃絕緣體、玻璃絕緣體(左下左下)和硅晶體和硅晶體(上上)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件具有體積小、重具有體積小、重量輕、使用壽命長、耗電少等特量輕、使用壽命長、耗電少等特點(diǎn)，是組成各種電子電路的核心點(diǎn)，是組成各種電子電路的核心器件，在當(dāng)今的電子技術(shù)中占有器件，在當(dāng)今的電子技術(shù)中占有主導(dǎo)地位。主導(dǎo)地位。 GaAs-AlGaAs 諧振腔發(fā)光二極管諧振腔發(fā)光二極管Ge二極管二極管Si二極管二極管 光敏電阻是一種特殊

3、的光敏電阻是一種特殊的電阻電阻，它的電阻和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系，它的電阻和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系光強(qiáng)度增加，則電阻減??；光強(qiáng)度增加，則電阻減??；光強(qiáng)度減小，則電阻增大。光強(qiáng)度減小，則電阻增大。通常應(yīng)用于光控電路，如路燈照明、警報(bào)器、樓梯燈通常應(yīng)用于光控電路，如路燈照明、警報(bào)器、樓梯燈本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體( (intrinsic semiconductorintrinsic semiconductor ) )一、一、半導(dǎo)體半導(dǎo)體 指純單晶，理想化的。指純單晶，理想化的。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。層

4、電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： GeGeSiSi硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子自由電子，因此本征半，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。共價(jià)鍵共價(jià)鍵：共價(jià)鍵就是相鄰兩個(gè)原子中的價(jià)電子為共用電子對而：共價(jià)鍵就是相鄰兩個(gè)原子中的價(jià)電子為共用電子對而形成的相互作用力。形

5、成的相互作用力。對大多數(shù)原子來說，外層電子數(shù)為對大多數(shù)原子來說，外層電子數(shù)為8 8時(shí)它們達(dá)到飽和。時(shí)它們達(dá)到飽和。這時(shí)它們的外層電子數(shù)與同周期的這時(shí)它們的外層電子數(shù)與同周期的惰性氣體惰性氣體元素的外層電子數(shù)相同。元素的外層電子數(shù)相同。 輻射方法輻射方法 加熱加熱 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能比金屬導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體差差很多。很多。但它具有熱敏但它具有熱敏、 光敏的特性光敏的特性。 如何導(dǎo)電？如何導(dǎo)電？ 強(qiáng)能量的量子撞擊共價(jià)鍵強(qiáng)能量的量子撞擊共價(jià)鍵? ? 光照是一般采用的方法。光照是一般采用的方法。 分子振動(dòng)分子振動(dòng) 破壞結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)電子掉下來，引起自由電子掉下來，引起自由電子電子空穴空穴

6、幾個(gè)概念幾個(gè)概念本征激發(fā)本征激發(fā)：當(dāng)本征半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照時(shí)，當(dāng)本征半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子從外界獲得能量從外界獲得能量而掙脫共價(jià)鍵的而掙脫共價(jià)鍵的束縛，束縛，離開原子而成為離開原子而成為自由電子自由電子的同時(shí)，在共價(jià)鍵中會(huì)留下數(shù)的同時(shí)，在共價(jià)鍵中會(huì)留下數(shù)量相同的空位子量相同的空位子空穴空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)形成本征激發(fā)形成: : 電子電子( (負(fù)電荷負(fù)電荷) )- -空穴（空穴（帶正電帶正電）（1 1）漂移電流：漂移電流： 自由電子自由電子在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為漂在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流

7、稱為漂移電流。移電流。（2 2）空穴電流：空穴電流： 空穴在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為空穴電流?？昭ㄔ陔妶鲎饔孟露ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)形成的電流稱為空穴電流。 電子電流與空穴電流的電子電流與空穴電流的實(shí)際方向?qū)嶋H方向是相同的，是相同的，總和總和即即半半導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體中的電流。（3 3）復(fù)復(fù) 合：合： 自由電子在熱運(yùn)動(dòng)過程中和空穴相遇，造成電子自由電子在熱運(yùn)動(dòng)過程中和空穴相遇，造成電子- -空空穴對消失，這一過程稱為穴對消失，這一過程稱為復(fù)合復(fù)合。 雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體摻雜后的半導(dǎo)體，包括，包括N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中

8、摻入：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素五價(jià)元素( (磷、砷、銻磷、砷、銻) )等，每個(gè)等，每個(gè)雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供一個(gè)自由電子，從而大量增加自由一個(gè)自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。電子數(shù)量。N N型型半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度穴濃度，為多數(shù)載流子，為多數(shù)載流子( (多子多子) )，空穴，空穴為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子自由電子 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體摻雜后的半導(dǎo)體，包括，包括N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)

9、體中摻入：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素三價(jià)元素( (硼、鋁、銦硼、鋁、銦) )等，等，每個(gè)雜質(zhì)原子每個(gè)雜質(zhì)原子( (受主原子受主原子) )提供一個(gè)空穴，從而大量增加空提供一個(gè)空穴，從而大量增加空穴數(shù)量。穴數(shù)量。P P型型半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，為多數(shù)載流子為多數(shù)載流子( (多子多子) )，自由電子為少數(shù)載流子自由電子為少數(shù)載流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的記憶及示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的記憶及示意表示法：P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)型

10、半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子多子。近似認(rèn)為近似認(rèn)為多子與雜多子與雜質(zhì)濃度相等。質(zhì)濃度相等。結(jié)論u 不論不論P(yáng) P型或型或N N型半導(dǎo)體，摻雜越多，摻雜濃度越大，型半導(dǎo)體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子濃度也小。多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子濃度也小。u 摻雜后，多子濃度都將遠(yuǎn)大于少子濃度，且即使是少摻雜后，多子濃度都將遠(yuǎn)大于少子濃度，且即使是少量摻雜，載流子都會(huì)有量摻雜，載流子都會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級的增加幾個(gè)數(shù)量級的增加，表明其導(dǎo)電，表明其導(dǎo)電能力能力顯著增大顯著增大。幾十萬到幾百萬倍。幾

11、十萬到幾百萬倍u 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度多子濃度近似等于摻雜濃度，其值近似等于摻雜濃度，其值與溫度幾乎無關(guān)，而與溫度幾乎無關(guān)，而少子濃度少子濃度也將隨溫度升高而顯著增也將隨溫度升高而顯著增大。大。小結(jié)小結(jié) 1 1、半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的的導(dǎo)電能力主要由

12、所摻雜質(zhì)的濃度決定。導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。 4 4、P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。中空穴是多子，自由電子是少子。N N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體中自由電子是多子，空穴是少子。中自由電子是多子，空穴是少子。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)參雜成將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)參雜成P P型半導(dǎo)體，另一側(cè)參雜成型半導(dǎo)體，另一側(cè)參雜成N N型半型半導(dǎo)體，那么在中間交界處形成一個(gè)導(dǎo)體，那么在中間交界處形成一個(gè)PNPN結(jié)結(jié)。 19481948年，年，威廉威廉蕭克利蕭克利的的論文論文“半導(dǎo)體中的半導(dǎo)體中的P-NP-N結(jié)和結(jié)和P-NP-N結(jié)型結(jié)型晶體管的理論晶體管的理論”發(fā)表于貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部刊物。發(fā)表于貝爾實(shí)驗(yàn)

13、室內(nèi)部刊物。根據(jù)根據(jù)PNPN結(jié)的結(jié)的材料、摻雜分布、材料、摻雜分布、 幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，的不同，可以制造多種功能的晶體二極管。可以制造多種功能的晶體二極管。整流二極管、檢波二極管和開關(guān)二極管；穩(wěn)壓二極管和雪崩二整流二極管、檢波二極管和開關(guān)二極管；穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管；光電探測器；太陽電極管；激光二極管與半導(dǎo)體發(fā)光二極管；光電探測器；太陽電池。雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管，池。雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管，是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。PNPN結(jié)結(jié)PN結(jié)的形成 在一塊晶體兩邊分別形成在一塊晶體兩邊分別形成P P型型( (硼硼)

14、)和和N N型型半導(dǎo)半導(dǎo) 體體( (磷磷) )。 由于由于P P區(qū)有大量空穴區(qū)有大量空穴( (濃度大濃度大) )，而，而N N區(qū)的空穴極少區(qū)的空穴極少( (濃度小濃度小) )，因此空穴要從濃度大的因此空穴要從濃度大的P P區(qū)向濃度小的區(qū)向濃度小的N N區(qū)區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散。 N N區(qū)電子區(qū)電子也類似反向運(yùn)動(dòng)也類似反向運(yùn)動(dòng)PN自由電子空穴擴(kuò)散 擴(kuò)散空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場多數(shù)載流子將多數(shù)載流子將擴(kuò)散擴(kuò)散形成形成耗盡層；耗盡層；耗盡了載流子的交界處留下不耗盡了載流子的交界處留下不可移動(dòng)的離子形成可移動(dòng)的離子形成空間電荷區(qū)；空間電荷區(qū)；（內(nèi)電場）（內(nèi)電場）內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙了多子的繼續(xù)阻礙了多

15、子的繼續(xù)擴(kuò)散。擴(kuò)散。P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對多數(shù)載流子的空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起起阻擋作用阻擋作用。但對但對少數(shù)載流子少數(shù)載流子（P P區(qū)的自由電子和區(qū)的自由電子和N N區(qū)的空穴區(qū)的空穴) )則可推動(dòng)它們越過則可推動(dòng)它們越過空間電荷區(qū)，進(jìn)入對方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)空間電荷區(qū)，進(jìn)入對方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。漂移漂移漂移漂移擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡形成了擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡形成了PNPN結(jié)結(jié) 在在開始形成空間電荷區(qū)開始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢。在。在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過

16、程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐步加擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐步加強(qiáng)。強(qiáng)。在一定條件下在一定條件下( (例如溫度一定例如溫度一定) )，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)逐漸增強(qiáng)。最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到平衡后。達(dá)到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PNPN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。態(tài)。幾個(gè)重要概念：幾個(gè)重要概念： 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 多子因多子因濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。濃度差而引起

17、的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 空間電荷區(qū)在內(nèi)部形成電場的作用下，少空間電荷區(qū)在內(nèi)部形成電場的作用下，少子會(huì)定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移。子會(huì)定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移。 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 在在PNPN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，在散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，在P P 區(qū)和區(qū)和N N區(qū)分別出現(xiàn)了由不區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。 內(nèi)部電場內(nèi)部電場由空間電荷區(qū)將形成由由空間電荷區(qū)將形成由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)區(qū)的的電場電場E E，這

18、一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。少子的漂移。PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮NPN結(jié)外加電壓情形結(jié)外加電壓情形 如果在如果在PNPN結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接P P區(qū)，負(fù)端區(qū)，負(fù)端接接N N區(qū)。區(qū)。 可見外電場與內(nèi)電場的方向相反，可見外電場與內(nèi)電場的方向相反，因此擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的因此擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞平衡被破壞。 外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使P P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)荷，同時(shí)N N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間區(qū)

19、的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。于是，電荷。于是，整個(gè)空間電荷區(qū)變窄整個(gè)空間電荷區(qū)變窄，電內(nèi)電場被削弱，電內(nèi)電場被削弱，多多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的，形成較大的擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流( (正向電流正向電流) )。 若給PN結(jié)加反向電壓 即外電源的正端接即外電源的正端接N N區(qū)，負(fù)端接區(qū)，負(fù)端接P P區(qū)，則外電場與內(nèi)電場方區(qū)，則外電場與內(nèi)電場方向一致，也向一致，也破壞了擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡破壞了擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡。 外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，使得外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，使得空間電荷增加，空間電荷增加，空間電荷區(qū)變

20、寬空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，使，內(nèi)電場增強(qiáng)，使多數(shù)載多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難以進(jìn)行。難以進(jìn)行。 但另一方面，內(nèi)電場的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)裁流于的但另一方面，內(nèi)電場的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)裁流于的漂移運(yùn)漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)，在外電場的作用下，在外電場的作用下，N N區(qū)中的空穴越過區(qū)中的空穴越過PNPN結(jié)進(jìn)入結(jié)進(jìn)入P P區(qū)，區(qū)， P P區(qū)中的自由電子越過區(qū)中的自由電子越過PNPN結(jié)進(jìn)入結(jié)進(jìn)入N N區(qū)，在電路中形成了區(qū)，在電路中形成了反反向電流向電流。由于由于少數(shù)載流子數(shù)量很少少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此，因此反向電流不大反向電流不大，即，即PNPN結(jié)呈現(xiàn)的結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高反向電阻很高。又因?yàn)樯贁?shù)載流子是

21、由于又因?yàn)樯贁?shù)載流子是由于價(jià)電子價(jià)電子獲得熱能獲得熱能( (熱激發(fā)熱激發(fā)) )掙脫共價(jià)鍵的掙脫共價(jià)鍵的束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以溫溫度對反向電流的影響很大。度對反向電流的影響很大。PNPN結(jié)結(jié)單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦约丛诩丛赑NPN結(jié)上加結(jié)上加正向電壓正向電壓時(shí)，時(shí)，PNPN結(jié)電阻很低結(jié)電阻很低正向電流較正向電流較大大(PN(PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)) )加反向電壓時(shí)，加反向電壓時(shí)，PNPN結(jié)電阻很高結(jié)電阻很高，反向電流很小反向電流很小(PN(PN結(jié)處結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)于截止?fàn)顟B(tài)) )。PNPN結(jié)的反向擊穿問題結(jié)

22、的反向擊穿問題 PN PN結(jié)結(jié)反向偏置反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PNPN結(jié)的電流結(jié)的電流很小基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電很小基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為流會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)結(jié)。 反向擊穿發(fā)生在反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。 擊穿的原因主要有兩種：擊穿的原因主要有兩種： 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)上加的反向電壓結(jié)上加的反向電壓超過一定限度超過一定限度時(shí)，阻擋層較厚，時(shí)，阻擋層較厚，處在強(qiáng)電場中的載流子獲得足夠大的能量處在強(qiáng)電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格碰撞晶格，將，將價(jià)電價(jià)電

23、子碰撞出來子碰撞出來，產(chǎn)生，產(chǎn)生電子空穴對電子空穴對新產(chǎn)生的載流子再去碰撞其它價(jià)電子產(chǎn)生新產(chǎn)生的載流子再去碰撞其它價(jià)電子產(chǎn)生新的電子空穴對新的電子空穴對，如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大。如此連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大。 (1)雪崩擊穿 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時(shí)阻擋層又很薄時(shí)，阻擋層，阻擋層內(nèi)載流子與原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而發(fā)生內(nèi)載流子與原子碰撞的機(jī)會(huì)大為減少，因而發(fā)生雪崩擊穿雪崩擊穿幾率較小幾率較小。(2)齊納擊穿 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)非常薄時(shí)，阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也結(jié)非常薄時(shí)，阻擋層兩端加的反向電壓不太大，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較強(qiáng)

24、的內(nèi)電場比較強(qiáng)的內(nèi)電場。這個(gè)內(nèi)電場足以把。這個(gè)內(nèi)電場足以把PNPN結(jié)內(nèi)中結(jié)內(nèi)中性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子性原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子空穴對，使空穴對，使PNPN結(jié)反向電流劇增。結(jié)反向電流劇增?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的可見，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PNPN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般小于較低，一般小于5V5V。UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降: : 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓UBR PNPN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 PN PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢壘電容勢壘電容和和擴(kuò)

25、散電容擴(kuò)散電容兩部分組成兩部分組成 PNPN結(jié)的電容特性結(jié)的電容特性 勢壘電容是由勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓變形成的。當(dāng)外加電壓變化時(shí)，化時(shí)，離子薄層的厚度離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，相當(dāng)也相應(yīng)地隨之改變，相當(dāng)PNPN結(jié)中存結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。圖 01.09 勢壘電容示意圖擴(kuò)散電容：擴(kuò)散電容：正向偏置的正向偏置的PNPN結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會(huì)形成一種結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會(huì)形成一種電容效應(yīng)電容效應(yīng) PNPN結(jié)的電容特性結(jié)的電容特性圖 01.09 勢壘電容示意圖PN PN 結(jié)正偏，多子結(jié)正偏，

26、多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，由由N N區(qū)擴(kuò)散到區(qū)擴(kuò)散到 P P 區(qū)的電子，就區(qū)的電子，就堆堆積積在在 P P 區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)緊靠緊靠PNPN結(jié)結(jié)的附近，的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲形成一定的多子濃度梯度分布曲線，相當(dāng)于線，相當(dāng)于電容的充放電過程電容的充放電過程由由P P區(qū)擴(kuò)散到區(qū)擴(kuò)散到N N區(qū)的空穴，亦然區(qū)的空穴，亦然PNPN結(jié)反向偏置時(shí)，少子數(shù)量很少，結(jié)反向偏置時(shí)，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少電容效應(yīng)很少 勢壘電容勢壘電容和和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容都是非線性電容都是非線性電容, ,都隨外加電壓的變化都隨外加電壓的變化而變化。而變化。 PNPN結(jié)上的總電容結(jié)上的總電容C Cj j為兩者之和，即為

27、兩者之和，即C Cj j= =勢壘電容勢壘電容+ +擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容正偏正偏時(shí)，時(shí)， C Cj j 擴(kuò)散電容，其值通常為幾十至幾百擴(kuò)散電容，其值通常為幾十至幾百pFpF反偏反偏時(shí)，時(shí)， C Cj j 勢壘電容勢壘電容, ,其值通常為幾至幾十其值通常為幾至幾十pFpF因?yàn)橐驗(yàn)镃 Cj j并并不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響。不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 把把PNPN結(jié)用管殼封裝，然后在結(jié)用管殼封裝，然后在P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)分別向外引出區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最二極管是電子技術(shù)中最

28、基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管檢波管、開關(guān)管開關(guān)管、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管和和整流管整流管等。等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管 電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型：結(jié)面積小，適用于 高頻檢波、脈沖電路及計(jì)算機(jī)中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負(fù)極引線N型鍺結(jié)面積大，適用于 低頻整流器件。負(fù)極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD 使用二極管時(shí)，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件

29、的可能。二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020二極管具有二極管具有“單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?二極管的伏安特性呈非線性，特性曲二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個(gè)區(qū)：線上大致可分為四個(gè)區(qū)： 2 外加正向電壓超過死區(qū)電壓時(shí)，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅外加正向電壓超過死區(qū)電壓時(shí)，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進(jìn)入速增長，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū)正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū) 1 當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，正向電流很小，當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)死區(qū)。 4 外加反向電

30、壓超過反向擊穿電壓外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流突然增大，時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入二極管失去單向?qū)щ娦?，進(jìn)入反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)3 反向截止區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū) 當(dāng)外加正向電壓當(dāng)外加正向電壓大于大于死區(qū)電壓時(shí)，二死區(qū)電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，極管導(dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流迅速增大，而電壓再繼續(xù)增加時(shí)，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變二極管端電壓卻幾乎不

31、變，此時(shí)二極管，此時(shí)二極管端電壓稱為端電壓稱為正向?qū)妷赫驅(qū)妷?。硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管約為0.3V。 在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很在二極管兩端加反向電壓時(shí)，將有很小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的小的、由少子漂移運(yùn)動(dòng)形成的反向電流反向電流。 反向電流有反向電流有兩個(gè)特點(diǎn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是它隨：一是它隨溫度溫度的上升增長很快，二是的上升增長很快，二是在反向電壓不超過某一范圍時(shí)，反向電流的在反向電壓不超過某一范圍時(shí)，反向電流的大小基本恒定大小基本恒定。反反向飽和電流向飽和電流。二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流最大整流電流IDM：指二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過：指二極管長期運(yùn)

32、行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。其大小由的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)的結(jié)面積結(jié)面積和和外界散熱外界散熱條件決定。條件決定。 （2）最高反向工作電壓最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運(yùn)行時(shí)所：指二極管長期安全運(yùn)行時(shí)所能承受的最大反向電壓值。一般取能承受的最大反向電壓值。一般取擊穿電壓的一半擊穿電壓的一半。 （3）反向電流IR：指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大。 （4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用-整流整流作用作用 將交

33、流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過程稱為將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過程稱為整流整流。利用。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路B220VRLDIN4001B220VRLD1D2二極管橋式整流電路D4B220VRLD1D2D3二極管承受電壓折半二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用-限幅限幅DuS10K IN4148u0iD 圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視

34、為開路，輸出電壓u0=0V； 當(dāng)輸入電壓ui= +5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。 顯然輸出電壓u0限幅在0+5V之間。u0I(mA)40302010 0-5-10-15-20 (A) 0.4 0.812 8 4U(V) 穩(wěn)壓二極管的反向電壓穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨幾乎不隨反向電流的變化反向電流的變化而變化而變化。D 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，面接觸型二極管，其反向其反向擊穿可逆擊穿可逆。正向特性與普正向特性與普通二極管相似通二極管相似反向反向IZUZ二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用-穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管實(shí)物圖圖符號及文字

35、符號穩(wěn)壓管伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 Ui為有波動(dòng)的輸入電壓，并滿足為有波動(dòng)的輸入電壓，并滿足Ui UZ。R為限流電阻為限流電阻RL為負(fù)載。為負(fù)載。 V Z U i U o R R L I L I Z 在反向擊穿狀態(tài)下，盡管通過管在反向擊穿狀態(tài)下，盡管通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，子的電流在一定范圍內(nèi)變化，管子兩端電壓變化很小，管子兩端電壓變化很小，達(dá)到達(dá)到“穩(wěn)壓穩(wěn)壓”效果。效果。穩(wěn)壓二極管就是工作在穩(wěn)壓二極管就是工作在反向擊穿反向擊穿區(qū)區(qū)。穩(wěn)壓管要采取適當(dāng)措施限制通過管子的電流值，以保證管子穩(wěn)壓管要采取適當(dāng)措施限制通過管子的電流值，以保證管子不

36、會(huì)造成熱擊穿。不會(huì)造成熱擊穿。 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)兩端加的結(jié)兩端加的反向電壓過高反向電壓過高時(shí)，反向電流會(huì)繼續(xù)時(shí)，反向電流會(huì)繼續(xù)急劇急劇增長增長，PNPN結(jié)上熱量不斷積累，引起結(jié)溫升高，載流子增結(jié)上熱量不斷積累，引起結(jié)溫升高，載流子增多，反向電流一直增大下去，結(jié)溫一再持續(xù)升高循環(huán)，超多，反向電流一直增大下去，結(jié)溫一再持續(xù)升高循環(huán)，超過其容許值時(shí)，過其容許值時(shí)，PNPN結(jié)就會(huì)發(fā)生結(jié)就會(huì)發(fā)生而永久損壞。而永久損壞。 熱擊穿的過程是熱擊穿的過程是不可逆的不可逆的，所以應(yīng)盡量避免發(fā)生。，所以應(yīng)盡量避免發(fā)生。也稱也稱光敏二極管光敏二極管，光信號變成電信號，光信號變成電信號，核心部分也是一個(gè)核心部分也是一個(gè)P

37、NPN結(jié)結(jié)。PNPN結(jié)的結(jié)面積較小。結(jié)的結(jié)面積較小。D 光電二極管和穩(wěn)壓管類似，也是光電二極管和穩(wěn)壓管類似，也是工作在反向電壓下工作在反向電壓下。無光照時(shí)，反向電流很小，稱為無光照時(shí)，反向電流很小，稱為暗電流暗電流攜帶能量的攜帶能量的光子光子進(jìn)入進(jìn)入PNPN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子電子，使部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子空穴對，空穴對，稱為稱為光生載流子光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光反向光電流電流, ,其強(qiáng)度與其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比光照強(qiáng)度成正比。光電二極管光電

38、管管殼上有一個(gè)能射入光線的光電管管殼上有一個(gè)能射入光線的“窗口窗口”，入射光通過透鏡正好射，入射光通過透鏡正好射在管芯上。在管芯上。雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體摻雜后的半導(dǎo)體，包括，包括N N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素五價(jià)元素( (磷、砷、銻磷、砷、銻) )等，每個(gè)等，每個(gè)雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供一個(gè)自由電子，從而大量增加自由一個(gè)自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。電子數(shù)量。N N型型半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度穴濃度，為多數(shù)載流子，為多數(shù)載流子( (多子多子)

39、 )，空穴，空穴為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子自由電子 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)小結(jié) 1 1、半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3 3、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。 4 4、P P型半導(dǎo)體

40、型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。中空穴是多子，自由電子是少子。N N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體中自由電子是多子，空穴是少子。中自由電子是多子，空穴是少子。擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡形成了擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡形成了PNPN結(jié)結(jié) 在在開始形成空間電荷區(qū)開始形成空間電荷區(qū)時(shí)，多數(shù)載流子的時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢。在。在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐步加擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，內(nèi)電場逐步加強(qiáng)。強(qiáng)。在一定條件下在一定條件下( (例如溫度一定例如溫度一定) )，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)則逐漸增強(qiáng)逐漸增強(qiáng)。最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到最后擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到平衡后。達(dá)到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PNPN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。態(tài)。 若給PN結(jié)加反向電壓 即外電源的正端接即外電源的正端接N N