第02章半導體二極管及其基本電路

1、第二章 半導體二極管及其基本電路本章內(nèi)容簡介半導體二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的半導體器件,在電子電路有廣泛的應(yīng)用。 本章在簡要地介紹半導體的基本知識后，主要討論了半導體器件的核心環(huán)節(jié)PN 結(jié)。在此基礎(chǔ)上，還將介紹半導體二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理,特性曲線、主要參數(shù)以及二極管基本電路及其分析方法與應(yīng)用。最后對齊納二極管、變?nèi)荻O管和光電子器件的特性與應(yīng)用也給予簡要的介紹。（一）主要內(nèi)容:² 半導體的基本知識² PN結(jié)的形成及特點，半導體二極管的結(jié)構(gòu)、特性、參數(shù)、模型及應(yīng)用電路（二）基本要求:² 了解半導體材料的基本結(jié)構(gòu)及PN結(jié)的形成² 掌握PN結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟?/p>

2、理² 了解二極管（包括穩(wěn)壓管）的V-I特性及主要性能指標（三）教學要點：² 從半導體材料的基本結(jié)構(gòu)及PN結(jié)的形成入手，重點介紹PN結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟怼?#178; 二極管的V-I特性及主要性能指標2.1 半導體的基本知識2.1.1 半導體材料根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。導電性能介于導體與絕緣體之間材料，我們稱之為半導體。在電子器件中，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材料，如硼（B）、磷（P）、錮（In）和銻（Sb）等。其中硅是最常用的一種半導體

3、材料。 半導體有以下特點： 1半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間 2半導體受外界光和熱的刺激時，其導電能力將會有顯著變化。 3在純凈半導體中，加入微量的雜質(zhì)，其導電能力會急劇增強。2.1.2 半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)在電子器件中，用得最多的半導體材料是硅和鍺，它們的簡化原子模型如下所示。硅和鍺都是四價元素，在其最外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。由于原子呈中性，故在圖中原子核用帶圓圈的+4符號表示。半導體與金屬和許多絕緣體一樣，均具有晶體結(jié)構(gòu)，它們的原子形成有排列，鄰近原子之間由共價鍵聯(lián)結(jié)，其晶體結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。圖中表示的是晶體的二維結(jié)構(gòu)，實際上半導體晶體結(jié)構(gòu)是三維的。 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)

4、簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)2.1.3 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(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ü矁r鍵中的空位。電子空穴對由熱激發(fā)而產(chǎn)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。本征激發(fā)在室溫下，本征半導體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛進入導帶，成為自由電子，在晶體中產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā).由于共價鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場或其他的作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的空位，以后其他電子雙可轉(zhuǎn)移到這個新的空位。這樣就使共價鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移?？昭ǖ囊苿臃较蚝碗娮右苿拥姆较蚴窍?/p>

5、反的。本征半導體中的自由電子和空穴數(shù)總是相等的。2.1.4 雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。N型半導體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導體。P型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導體。1. N型半導體因五價雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子

6、也稱為施主雜質(zhì)。2. P型半導體因三價雜質(zhì)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?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。3. 雜質(zhì)對半導體導電性的影響摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，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/cm3摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度：n = 5×1016/cm3本征硅的原子濃度：4.96×1022/cm3以上三個濃度

7、基本上依次相差106/cm3 。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了半導體、本征半導體和雜志半導體的基本知識。2.2 PN結(jié)的形成及特性2.2.1 PN結(jié)的形成：在P型半導體和N型半導體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質(zhì)離子,N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近

8、，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的PN結(jié)。擴散越強，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反它是阻止擴散的。另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷

9、區(qū)變窄。當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場促使少子漂移，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。2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結(jié)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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) PN結(jié)加正向電壓時：在正向電壓的作用下，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)中的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動，當P區(qū)空穴進入PN結(jié)后，就要和原來的一部分負離子中和，使P區(qū)的空間電荷量減少。同樣，當N區(qū)電子進入PN結(jié)時，中和了部分正離子，使N區(qū)的空間電荷量減少，結(jié)果使PN結(jié)變窄，即耗盡區(qū)厚變薄，由于

10、這時耗盡區(qū)中載流子增加，因而電阻減小。勢壘降低使P區(qū)和N區(qū)中能越過這個勢壘的多數(shù)載流子大大增加，形成擴散電流。在這種情況下，由少數(shù)載流了形成的漂移電流，其方向與擴散電流相反，和正向電流比較，其數(shù)值很小，可忽略不計。這時PN結(jié)內(nèi)的電流由起支配地位的擴散電流所決定。在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流，稱為正向電流IF。當外加電壓VF稍有變化（如O.1V），便能引起電流的顯著變化，因此電流IF是隨外加電壓急速上升的。這時，正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻。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(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。(2

11、) PN結(jié)加反向電壓時：PN結(jié)的伏安特性在反向電壓的作用下，P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子都將進一步離開PN結(jié)，使耗盡區(qū)厚度加寬，PN結(jié)的內(nèi)電場加強。這一結(jié)果，一方面使P區(qū)和N區(qū)中的多數(shù)載流子就很難越過勢壘，擴散電流趨近于零。另一方面，由于內(nèi)電場的加強，使得N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產(chǎn)生漂移運動。這樣，此時流過PN結(jié)的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流IR。由于少數(shù)載流子是由本征激發(fā)產(chǎn)生的其濃度很小，所以IR是很微弱的，一般為微安數(shù)量級。當管子制成后，IR數(shù)值決定于溫度，而幾乎與外加電壓VR無關(guān)。IR受溫度的影響較大，在某些實際應(yīng)用中，還必須予以考

12、慮。PN結(jié)在反向偏置時，IR很小，PN結(jié)呈現(xiàn)一個很大的電阻，可認為它基本是不導電的。這時，反向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很大的電阻。PN結(jié)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(jié)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(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?3) PN結(jié)V- I 特性表達式在常溫下（T=300K）2.2.3 PN結(jié)的反向擊穿當PN結(jié)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(jié)的反向擊穿。反向擊穿分為電擊穿和熱擊穿，電擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。PN結(jié)熱擊穿后電流很大，電壓又很高，消耗在結(jié)上的功率很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱,把PN結(jié)燒毀。熱擊

13、穿不可逆；電擊穿可逆當PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。這樣，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下獲得的能量增大，在晶體中運動的電子和空六將不斷地與晶體原子又發(fā)生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子空穴對。新產(chǎn)生的電子和空穴也向相反的方向運動，重新獲得能量，又可通過碰撞，再產(chǎn)生電子空穴對，這就是載流子的倍增效應(yīng)。當反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像在陡峻的積雪山坡上發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，這樣，反向電流劇增， PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。在加有較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存一個強電場，它能夠破壞共價

14、鍵，將束縛電子分離出來造成電子空穴對，形成較大的反向電流。發(fā)生齊納擊穿需要的電場強度約為2×10V/cm，這只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達到，因為雜質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷密度（即雜質(zhì)離子）也大，因而空間電荷區(qū)很窄，電場強度可能很高。電擊穿可被利用（如穩(wěn)壓管），而熱擊穿須盡量避免。2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1) 勢壘電容CB：用來描述二極管勢壘區(qū)的空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)的。PN結(jié)的空間電荷隨外加電壓的變化而變化，當外加正向電壓升高時，N區(qū)的電子和P區(qū)空穴進入耗盡區(qū)，相當于電子和空穴分別向CB“充電”，如圖（a)所示。當外加電壓降低時，又有電子和空穴離開耗盡區(qū)，

15、好像電子和空穴從CB放電，如圖（b)所示。CB是非線性電容，電路上CB與結(jié)電阻并聯(lián)，在PN結(jié)反偏時其作用不能忽視，特別是在高頻時，對電路的影響更大。(2) 擴散電容CD：二極管正向?qū)щ姇r，多子擴散到對方區(qū)域后，在PN結(jié)邊界上積累，并有一定的濃度分布。積累的電荷量隨外加電壓的變化而變化，當PN結(jié)正向電壓加大時，正向電流隨著加大，這就要有更多的載流子積累起來以滿足電流加大的要求；而當正向電壓減小時，正向電流減小，積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴就要相對減小，這樣，就相應(yīng)地要有載流子的“充入”和“放出”。因此，積累在P區(qū)的電子或N區(qū)的空穴隨外加電壓的變化就可PN結(jié)的擴散電容CD描述。擴散電容反映了在外加

16、電壓作用下載流子在擴散過程中積累的情況。 (3) PN結(jié)的高頻等效電路：由于PN結(jié)結(jié)電容（CB和CD）的存在，使其在高頻運用時，必須考慮結(jié)電容的影響.PN結(jié)高頻等效電路如下圖所示，圖中r表示電阻，C表示結(jié)電容，它包括勢壘電容和擴散電容，其大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。當PN結(jié)處于正向偏置時，r為正向電阻，數(shù)值很小，而結(jié)電容較大（主要決定于擴散電容CD）。當PN結(jié)處于反向偏置時，r為反向電阻，其數(shù)值較大。結(jié)電容較?。ㄖ饕獩Q定于勢壘電容CB）。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了PN結(jié)的形成及基本特性。2.3 半導體二極管2.3.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管

17、。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管：PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(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：往往用于集成電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(4) 二極管的代表符號2.3.2 二極管的伏安特性(1) 正向特性：正向特性表現(xiàn)為圖中的段。當正向電壓較小，正向電流幾乎為零。此工作區(qū)域稱為死區(qū)。Vth稱為門坎電壓或死區(qū)電壓（該電壓硅管約為0.5V，鍺管為0.2V)。當正向電壓大于Vth時，內(nèi)電場削弱，電流因而迅速增長,呈現(xiàn)的很小正向電阻。(2) 反向特性：反向

18、特性表現(xiàn)為如圖中的段。由于是少數(shù)載流形成反向飽和電流，所以其數(shù)值很小，當溫度升高時，反向電流將隨之急劇增加。 (3) 反向擊穿特性：反向擊穿特性對應(yīng)于圖中段，當反向電壓增加到一定大小時，反向電流劇增，二極管的反向擊穿。其原因和PN擊穿相同。 2.3.3 二極管的參數(shù)(1) 最大整流電流IF； (2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR；(4) 正向壓降VF；(5) 極間電容CB小結(jié)：本節(jié)主要介紹了二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性。2.4 二極管基本電路及其分析方法1. 理想模型2. 恒壓源模型2.4.1 二極管V- I 特性的建模在小信號模型中：4. 小信號模型3. 折線模型

19、2.4.2 應(yīng)用舉例1. 二極管的靜態(tài)工作情況分析（1）VDD=10V 時（R=10KW）（2）VDD=1V 時（R=10KW？）10K解：（1）VDD=10V 使用理想模型得 使用恒壓降模型得 使用折線模型得(2) VDD=1V 使用理想模型得 使用恒壓降模型得 使用折線模型得2. 限幅電路：例2.4.2 已知：3. 開關(guān)電路：例2.4.3 已知：VDDvo0V3VD1D2利用假定狀態(tài)分析法知：設(shè)D1導通，則：vo = 0V，D2截止，無矛盾。設(shè)D2導通，則：vo = 3V，D1亦導通，vo = 0V，矛盾。故vo = 0V。VDDvoD4. 低壓穩(wěn)壓電路：例2.4.4 已知：若 變化 ，則

20、硅二極管輸出電壓變化多少？ vordVDDR+-+-小結(jié)：本節(jié)主要介紹了如何用二極管等效模型分析具體電路。2.5 特殊體二極管2.5.1 穩(wěn)壓二極管：齊納二極管又稱穩(wěn)壓管。利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。1. 符號及穩(wěn)壓特性：2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(1) 穩(wěn)定電壓VZ ：在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。(2) 動態(tài)電阻rZ ；(3) 最大耗散功率 PZM(4) 最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)aVZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用原理在于，電流有很大增量時，只引起很小的電壓變化。反向擊穿曲線愈陡，

21、動態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都加限流電阻R，使穩(wěn)壓管電流工作在IZmax和IZmix的穩(wěn)壓范圍。另外，在應(yīng)用中還要采取適當?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，以保證管子不會因過熱而燒壞。例. 已知：ui 在 12V 12V 之間，繪出uoui的波形。uiuo+-+3V6VRuiuo6V3V3V6V12V-12Vui> 6V 時，第二管工作，uo 6V ；6V > ui > 3V 時，兩管均不工作，uoui；ui< 3V 時，第一管工作，uo 3V ；例. 已知：ui 在 30V 30V 之間，試求轉(zhuǎn)移特性曲線。uiuo+-+10V15VRRLrdrd

22、例. VIVo+-R+-RLILIZ2.5.2 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管：結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的效應(yīng)顯著的二極管。最大電容和最小電容之比約為5:1，在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。2.5.3 光電子器件優(yōu)點：抗干擾能力強，傳輸量大、損耗小；缺點：光路復雜，信號的操作與調(diào)試需精心設(shè)計。1. 光電二極管：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中，越來越多地有效地應(yīng)用光信號。光電二極管是光電子系統(tǒng)的電子器件。光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。光電二極管的主要特點是，它的反向電流與照度成正比，其靈敏度的典型值為0.1mA/lx數(shù)量級。優(yōu)點：抗干擾能力強，傳輸信息量大、傳輸損耗小且工作可靠。2. 發(fā)光二極管(LED)：發(fā)光二極管通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等所制成的。當這種管子通以電流時將發(fā)出光來，這是由于電子與空穴直接復合而放出能量的結(jié)果。光譜范圍是比較窄的，其波長由所使用的基本材料而定。幾種常見發(fā)光材料的主要參數(shù)如下表所示。發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個使用外，也常作為七段式或矩陣式器件，工作電流一般為幾mA到十幾mA。* cd(坎德拉)發(fā)光強度的單位3. 激光二極管：激光二極