第1章：半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

1、教材：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 楊拴科主編 高等教育出版社 2003.1cm931010GeSi在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：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這種結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)半導(dǎo)體的特性呢？導(dǎo)電機(jī)制是什么？ 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價(jià)電子由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫掙脫原子核的束縛，原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為而參

2、與導(dǎo)電，成為自由電子自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價(jià)鍵中自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴空穴。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱，也稱熱激熱激發(fā)發(fā)。+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷

3、移，相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此正電荷的移動，因此可以認(rèn)為空穴是載流可以認(rèn)為空穴是載流子。子。l游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。稱為復(fù)合。l可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。l當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，即即“空穴空穴-電子對電子對”濃度一定。濃度一定。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫

4、度是影響半導(dǎo)體性導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。空穴移動產(chǎn)生的電流。4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) (1) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(2) (2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入質(zhì)，可使半導(dǎo)體

5、的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 (1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成形成 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體, ,也稱電子型半導(dǎo)體。也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個價(jià)電子能與周圍四個因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個價(jià)電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個價(jià)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。+4+4+5

6、+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中的載流子是什的載流子是什么？么？ 在在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由它主要由雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因自由電子自由電子脫離而脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)。1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。、

7、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。(2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成銦等形成 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，也稱為也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。因三。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時，缺少一個價(jià)電價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時，缺少一個價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個空

8、穴。子而在共價(jià)鍵中留下一個空穴。 +4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。成；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(zhì)原子成為負(fù)離子?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下室溫下, ,本征硅的電子和空穴濃度

9、本征硅的電子和空穴濃度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。1.1.

10、2 PN 的單向?qū)щ娦缘膯蜗驅(qū)щ娦?1 1、PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體和體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+多子擴(kuò)散運(yùn)動多子擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場內(nèi)電場E少子漂移運(yùn)動少子漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電

11、荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì), ,分分別形成別形成 N 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。此時將在型半導(dǎo)體。此時將在N型半型半導(dǎo)體和導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: :PNPN結(jié)形成的物理過程：結(jié)形成的物理過程： 因濃度差因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后最后,多子的多子的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動多子的擴(kuò)散運(yùn)動雜質(zhì)離子形

12、成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移否否是是寬寬 最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于于P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為空間電荷區(qū)稱為P N 結(jié)結(jié) , 在空間電荷區(qū)，由于缺少在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱多子，所以也稱耗盡層耗盡層。 1 1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2 2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P P中的空穴、中的空穴、N區(qū)區(qū) 中的電子（中的電子（都是多子都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散擴(kuò)散運(yùn)動運(yùn)動）。

13、）。3 3、P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少都是少），），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。2、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使如果外加電壓使PN結(jié)中：結(jié)中：P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于 N 區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝膹?P 區(qū)流到區(qū)流到 N 區(qū)，區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。大；反之是高阻性，電流小。 P 區(qū)的電位低于區(qū)的電位低于 N 區(qū)的電位，稱為加反向電

14、區(qū)的電位，稱為加反向電壓，壓，簡稱反偏。簡稱反偏。 PN結(jié)正偏時結(jié)正偏時 a、外加電場使得內(nèi)電場被消弱，從而加劇了多子擴(kuò)散；、外加電場使得內(nèi)電場被消弱，從而加劇了多子擴(kuò)散； 多子向耗盡層的擴(kuò)散使空間電荷層變窄；多子向耗盡層的擴(kuò)散使空間電荷層變窄； b、空間電荷層變窄更有利于多子擴(kuò)散而抑制少子漂移；、空間電荷層變窄更有利于多子擴(kuò)散而抑制少子漂移； c、多子擴(kuò)散電流稱為正向電流（、多子擴(kuò)散電流稱為正向電流（P N），此時稱），此時稱PN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)正偏：結(jié)正偏：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；PN結(jié)反偏時結(jié)反偏時a、外加電場增強(qiáng)內(nèi)電場，從而阻礙多子擴(kuò)散

15、而增強(qiáng)了少子的、外加電場增強(qiáng)內(nèi)電場，從而阻礙多子擴(kuò)散而增強(qiáng)了少子的 漂移，使得空間電荷層變寬；漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（、少子漂移電流（N P），稱為反向飽和電流；），稱為反向飽和電流；c、反向飽和電流很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時，基本不隨、反向飽和電流很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時，基本不隨 電壓的增加而增加。電壓的增加而增加。PN結(jié)反偏：結(jié)反偏：PN結(jié)截止，電阻很大，反向電流很?。唤Y(jié)截止，電阻很大，反向電流很??；其中其中) 1(/SDDTVveIiIS 反向飽和電流反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（且在常溫下（T=300K）V026. 0qkTV

16、TmV 26 2、PN結(jié)方程結(jié)方程正向：正向：TVveIi/SDD反向：反向：SDIi 近似近似 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型面型三大類。三大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管(a)(a)點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積小，結(jié)電結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等容小，用于檢波和變頻等高頻電路。高頻電路。(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造往往用于集成電路制造藝中。藝中。PN 結(jié)面積可大可小，結(jié)面積可大

17、可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型(c)(c)平面型平面型陰極陰極引線引線陽極陽極引線引線PNP 型支持襯底型支持襯底(4) 二極管的代表符號二極管的代表符號(d) 代表符號代表符號k 陰極陰極陽極陽極 a0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死區(qū)死區(qū)VthVBR硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.

18、4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR鍺二極管鍺二極管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿特性反向擊穿特性（1）、正向特性）、正向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓： 硅：0.5V 鍺：0.1V正常工作時的管壓降正常工作時的管壓降 硅：硅：0.7V 鍺：鍺：0.3V （2）、反向特性）、反向特性 反向電流由少子形成，因此反向電流一般很小很小；小功率硅管：小于1微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性）、反向擊穿特性 反向擊穿反向擊穿：外加電壓達(dá)到一定數(shù)值時，在PN結(jié)中形成強(qiáng)大的電場，強(qiáng)

19、制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增； 齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，拉出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)反向電壓小于4V時，擊穿主要為齊納擊穿。雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場，使做漂移的少子運(yùn)動速度加大，能量加大，碰撞出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個當(dāng)電壓大于6V時，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明二極管損壞了呢？3、半導(dǎo)體二極管的等效模型iuDU+-uiDU恒壓模型U D 二極管的導(dǎo)通壓降：硅管 0.7V；鍺管 0.3V。二極管的VA特性iu0理想二極管模型：ui-+iu正偏正偏反偏反偏-+iu小信號模型: :在交流

20、小信號模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。dTdiUr例1-1 ui=10sinwt (v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出畫出uo的波形的波形（1） ui E 時，二極管正向?qū)ǎ?uo = E;例1-2 判斷二極管的 工作狀態(tài)。判斷方法判斷方法： 正向偏置VAVB；導(dǎo)通； 反向偏置VAVB；截止；解題方法：解題方法： 斷開二極管2AP1，求VA和和VBVA = 15 （10/（10+140）=1V；VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V； VAVB，所以，二極管2AP1截止；+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4D1 、D3導(dǎo)通， D2、D4截止。u2正半周時:tuLtU1.工作原理u2負(fù)半周時：D2、D4 導(dǎo)通， D1 、D3截止。tUu2t-+41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4tuLtUIZ mi nIZ m a xUZIZUZ2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗maxZZZMIUP（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻）動