第二節(jié)半導體二極管

1、第一章第一章半導體器件半導體器件1.1半導體的特性半導體的特性1.2半導體二極管半導體二極管1.3雙極型三極管雙極型三極管( (BJT) )1.4場效應三極管場效應三極管第一章 半導體器件1.2半導體二極管半導體二極管1.2.1PN 結及其單向導電性結及其單向導電性 在一塊半導體單晶上一側摻雜成為在一塊半導體單晶上一側摻雜成為 P 型半導體，另型半導體，另一側摻雜成為一側摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，一個特殊的薄層，稱為稱為 PN 結結。 PNPN結結圖圖 1.2.1PN 結的形成結的形成第一章 半導體器件一、一、 PN 結中

2、載流子的運動結中載流子的運動耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN1. 擴散運動擴散運動2. 擴散運動擴散運動形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)電 子 和 空 穴電 子 和 空 穴濃度差形成濃度差形成多數(shù)多數(shù)載流子的擴散運載流子的擴散運動。動。 PN 結，耗結，耗盡層。盡層。圖圖 1.2.1PN第一章 半導體器件3. 空間電荷區(qū)產生內電場空間電荷區(qū)產生內電場PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場UD空間電荷區(qū)正負離子之間電位差空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 UD 電位壁壘電位壁壘； 內電場內電場；內電場阻止多子的擴散；內電場阻止多子的擴散 阻擋層阻擋層。4. 漂移運動漂移運動內電場有利內電場有利于少子運動

3、于少子運動漂漂移。移。 少子的運動少子的運動與多子運動方向與多子運動方向相反相反 阻擋層阻擋層圖圖 1.2.1( (b) )第一章 半導體器件5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減??；擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減??；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，當擴散電流與漂移電流相等時，PN 結總的電流結總的電流空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米 幾十微米；幾十微米；等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即擴散運動與擴散運動與漂移

4、運動達到動態(tài)平衡。漂移運動達到動態(tài)平衡。電壓壁壘電壓壁壘 UD，硅材料約為，硅材料約為( (0.6 0.8) ) V, 鍺材料約為鍺材料約為( (0.2 0.3) ) V。第一章 半導體器件1. 外加正向電壓外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電運動，電路中有較大的正向電流。流。圖圖 1.2.2PN第一章 半導體器件在在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大

5、，可接入電阻正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2. 外加反向電壓外加反向電壓( (反偏反偏) )反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流散電流，電路中產生反向電流 I ；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。第一章 半導體器件空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)圖圖 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 結結反向電

6、流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對溫度十分敏感對溫度十分敏感，隨隨著溫度升高，著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。PN外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向VRIS第一章 半導體器件綜上所述：綜上所述：當當 PN 結正向偏置時，回路中將產生一個較大的結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，正向電流， PN 結處于結處于 導通狀態(tài)導通狀態(tài)；當；當 PN 結反向偏置結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結處結處于于截止狀態(tài)截止狀態(tài)。可見，可見， PN 結具有結具有單向導電性單向導電性。第一章 半導體器件1.2.2二極

7、管的伏安特性二極管的伏安特性將將 PN 結封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從結封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正、負極。區(qū)分別焊出兩根引線作正、負極。二極管的結構：二極管的結構：( (a) )外形圖外形圖半導體二極管又稱晶體二極管。半導體二極管又稱晶體二極管。( (b) )符號符號圖圖 1.2.4二極管的外形和符號二極管的外形和符號第一章 半導體器件將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。點接觸型：點接觸型：結面積小，結電容小結面積小，結電容小故結允許的電流小故結允許的電流小最高工作頻率高最高工作頻率高面接觸

8、型：面接觸型：結面積大，結電容大結面積大，結電容大故結允許的電流大故結允許的電流大最高工作頻率低最高工作頻率低平面型：平面型：結面積可小、可大結面積可小、可大小的工作頻率高小的工作頻率高大的結允許的電流大大的結允許的電流大第一章 半導體器件半導體二極管的類型：半導體二極管的類型：按按 PN 結結構結結構分：分：有點接觸型和面接觸型二極管。有點接觸型和面接觸型二極管。點接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結電容點接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結電容小，可在高頻下工作。小，可在高頻下工作。面接觸型二極管面接觸型二極管 PN 結的面積大，允許流過的電流結的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低

9、頻率下工作。大，但只能在較低頻率下工作。按用途劃分：按用途劃分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管、發(fā)光二極管、變容二極管等。極管、開關二極管、發(fā)光二極管、變容二極管等。按半導體材料分：按半導體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。有硅二極管、鍺二極管等。第一章 半導體器件二極管的伏安特性二極管的伏安特性在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I = f ( (U ) )之間的關系曲線之間的關系曲線。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安

10、特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓擊穿電壓擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性0圖圖 1.2.4二極管的伏安特性二極管的伏安特性第一章 半導體器件1. 正向特性正向特性當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。相應的電壓叫相應的電壓叫死區(qū)電壓死區(qū)電壓。范。范圍稱圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫與材料和溫度有關，硅管約度有關，硅管約 0.5 V 左右，鍺左右，鍺管約管約 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死區(qū)死區(qū)電壓電壓60402000.

11、4 0.8I / mAU / V當正向電壓超過死區(qū)電壓后，當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。增大。第一章 半導體器件2. 反向特性反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性當電壓超過零點幾伏后，當電壓超過零點幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；大，即飽和；二極管加反向電壓，反二極管加反向電壓，反向電流很?。幌螂娏骱苄?；如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；流會突然增大；反向飽反向飽和電流和電流 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象

12、稱擊穿擊穿，對應電壓叫，對應電壓叫反向擊穿電壓反向擊穿電壓。擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復正常。低后，還可恢復正常。擊穿擊穿電壓電壓U(BR)(1-16)反向擊穿電壓反向擊穿電壓反向飽和電流反向飽和電流材料材料開啟電壓開啟電壓Uon導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十幾十A導通電壓導通電壓開啟電壓開啟電壓(mA)(A)(1-17)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降 u 反

13、向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) 常溫附近常溫附近：u22.5mV/ ， IS一倍一倍/10 溫溫度度對對伏伏安安特特性性的的影影響響第一章 半導體器件3. 伏安特性表達式伏安特性表達式( (二極管方程二極管方程) )1e (S TUUIIIS ：反向飽和電流：反向飽和電流UT ：溫度的電壓當量：溫度的電壓當量在常溫在常溫( (300 K) )下，下， UT 26 mV二極管加反向電壓，即二極管加反向電壓，即 U UT ，則，則 I IS。二極管加正向電壓，即二極管加正向電壓，即 U 0，且，且 U UT ，則，則，可得，可得 ，說明電流，說明電流 I 與電壓與電壓 U 基本上成指數(shù)關系

14、?；旧铣芍笖?shù)關系。1eTUUTUUIIeS 第一章 半導體器件結論：結論：二極管具有單向導電性。加正向電壓時導通，呈現(xiàn)二極管具有單向導電性。加正向電壓時導通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關閉合；加反向電壓時截止，很小的正向電阻，如同開關閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關斷開。呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關系，其內阻不是常數(shù)，所以二極管電流變化不呈線性關系，其內阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。屬于非線性器件。第一章 半導體器件* * 二極管的等效模型電路二極管的等

15、效模型電路1. 理想模型理想模型正偏時：正偏時：uD=0,RD=0;反偏時：反偏時：iD=0, RD= 。 相當于一理想電相當于一理想電子開關。子開關。HomeNextBack圖圖1.2.10 二極管的理想等效模型二極管的理想等效模型第一章 半導體器件HomeNext2. 恒壓降模型恒壓降模型Back 正偏時：正偏時：uD=Uon,RD=0; 反偏時：反偏時：iD=0, RD= 。 相當于一理想電相當于一理想電子開關和恒壓源子開關和恒壓源的串聯(lián)。的串聯(lián)。圖圖1.2.11 二極管的恒壓降等效模型二極管的恒壓降等效模型第一章 半導體器件HomeNext3. 折線型模型折線型模型Back 正偏時：正

16、偏時：uD=iDrD+UTH; 反偏時：反偏時：iD=0, RD= 。 相當于一理想電子相當于一理想電子開關、恒壓源和電阻開關、恒壓源和電阻的串聯(lián)。的串聯(lián)。圖圖1.2.12 二極管的折線型等效模型二極管的折線型等效模型第一章 半導體器件HomeNext4.4.小信號模型小信號模型 二極管工作在正向特二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個正向特性可以等效成一個微變電阻。微變電阻。BackDDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根據(jù)根據(jù)得得Q點處的微變電導點處的微變電導QdvdigDDd QVvTTeVI/SD dd1gr 則則DIVT 常溫下常

17、溫下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 圖圖1.2.13 二極管的小信號等效模型二極管的小信號等效模型第一章 半導體器件HomeNext* * 二極管基本電路及模型分析法二極管基本電路及模型分析法1. 二極管的靜態(tài)工作情況分析二極管的靜態(tài)工作情況分析BackID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20V+Von(a) 原電路原電路(b) 理想模型電路理想模型電路(c) 恒壓降模型電路恒壓降模型電路圖圖1.2.14 例例1.2.1的電路圖的電路圖解：解：（1）理想模型，）理想模型，VD=0，則則mAKRVVID

18、DDD210020（2）恒壓降模型）恒壓降模型VD=0.7V，則則mAKRVVIDDDD93. 1107 . 020例例1.2.1 求圖求圖1.2.14（a）所示電路的硅二極管電流）所示電路的硅二極管電流ID和電壓和電壓VD。第一章 半導體器件HomeNextBack2. 二極管開關電路二極管開關電路 例例1.2.2 如圖如圖1.2.15所示電路。所示電路。試求試求VI1、VI2為為0和和+5V時時V0的值的值 。R 10K V0Vcc +5V圖圖1.2.15 例例1.2.2 電路圖電路圖VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 第一章

19、半導體器件1.2.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IF 二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2. 最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UR工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將。通常將擊穿電壓擊穿電壓 UBR 的一半定義為的一半定義為 UR 。3. 反向電流反向電流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作頻率最高工作頻率 fMfM 值主要值主要 決定于決定于 PN 結結電容的大小。結結電容的大小。結電容愈大，結電容愈大，二極管允許的最高工

20、作頻率愈低。二極管允許的最高工作頻率愈低。第一章 半導體器件*1.2.4二極管的電容效應二極管的電容效應當二極管上的電壓發(fā)生變化時，當二極管上的電壓發(fā)生變化時，PN 結中儲存的電荷結中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使二極管具有電容效應。量將隨之發(fā)生變化，使二極管具有電容效應。電容效應包括兩部分電容效應包括兩部分勢壘電容勢壘電容擴散電容擴散電容1. 勢壘電容勢壘電容是由是由 PN 結的空間電荷區(qū)變化形成的。結的空間電荷區(qū)變化形成的。( (a) ) PN 結加正向電壓結加正向電壓（b) ) PN 結加反向電壓結加反向電壓 N空間空間電荷區(qū)電荷區(qū)PVRI+UN空間空間電荷區(qū)電荷區(qū)PRI+ UV第一章

21、半導體器件空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：勢壘電容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 結結 寬度寬度 l 隨外加隨外加電壓電壓 U 而變化，因此而變化，因此勢壘電容勢壘電容 Cb不是一個常數(shù)不是一個常數(shù)。其。其 Cb = f ( (U) ) 曲線如圖示。曲線如圖示。 ：半導體材料的介電比系數(shù)；：半導體材料的介電比系數(shù)；S ：結面積；：結面積；l ：耗盡層寬度。：耗盡層寬度。OUCb圖圖 1.2.8第一章 半導體器件2. 擴散電容擴散電容 Cd Q是由多數(shù)載流子在

22、擴散過程中積累而引起的。是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，在某個正向電壓下，P 區(qū)中的電子濃度區(qū)中的電子濃度 np( (或或 N 區(qū)的區(qū)的空穴濃度空穴濃度 pn) )分布曲線如圖中曲線分布曲線如圖中曲線 1 所示。所示。x = 0 處為處為 P 與與 N 區(qū)的交界處區(qū)的交界處當電壓加大，當電壓加大，np ( (或或 pn) )會升高，如會升高，如曲線曲線 2 所示所示( (反之濃度會降低反之濃度會降低) )。OxnPQ12 Q當加反向電壓時，擴散運動被削弱，當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。擴散電容的作用可忽略。 Q正向電壓時，變化載流子積累電荷正向

23、電壓時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當于電容器充電和放電量發(fā)生變化，相當于電容器充電和放電的過程的過程 擴散電容效應。擴散電容效應。圖圖 1.2.9第一章 半導體器件綜上所述：綜上所述：PN 結總的結電容結總的結電容 Cj 包括勢壘電容包括勢壘電容 Cb 和擴散電容和擴散電容 Cd 兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為容起主要作用，即可以認為 Cj Cd；當反向偏置時，勢；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為壘電容起主要作用，可以認為 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值都很小，通常為幾個皮法值都很小，通常為幾個

24、皮法 幾十皮法，幾十皮法，有些結面積大的二極管可達幾百皮法。有些結面積大的二極管可達幾百皮法。第一章 半導體器件(1-31)齊納擊穿：齊納擊穿： 高摻雜高摻雜PN結窄結窄不大的電壓不大的電壓很強很強的電場的電場破壞共價鍵破壞共價鍵電流電流雪崩擊穿：雪崩擊穿： 低摻雜低摻雜PN結寬結寬較大的電壓較大的電壓價電價電子加速子加速把價電子撞擊出共價鍵把價電子撞擊出共價鍵倍增效應倍增效應電流電流 通常，通常，U(BR) 7V 為雪崩擊穿；為雪崩擊穿； U(BR)5V ：Uo = 5VUi Vb故：故：Da優(yōu)先導通優(yōu)先導通 Db截止截止若：若：Da導通壓降為導通壓降為0.3V則：則：Vy = 2.7V解：

25、VaVbVy-12VDaDb(1-34)tttuiuRuoRRLuiuRuo已知：已知：Ui波形波形 ，二極管為理想元件。，二極管為理想元件。 試求：輸出試求：輸出Uo的波形。的波形。第一章 半導體器件 1.2.5穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管一種特殊的面接觸型半一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。導體硅二極管。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管工作于反向擊穿工作于反向擊穿區(qū)區(qū)。 I/mAU/VO+ 正向正向 +反向反向 U( (b) )穩(wěn)壓管符號穩(wěn)壓管符號( (a) )穩(wěn)壓管伏安特性穩(wěn)壓管伏安特性+ I圖圖 1.2.10穩(wěn)壓管的伏安特性和符號穩(wěn)壓管的伏安特性和符號第一章 半導體器件 穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下幾項：穩(wěn)壓管的參數(shù)主要有以下

26、幾項：1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ3. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZZZZIUr 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。 正常工作的參考電流。正常工作的參考電流。I IZ ，只要不超過額定功耗即可。，只要不超過額定功耗即可。rZ 愈小愈好。對于愈小愈好。對于同一個穩(wěn)壓管，工作電同一個穩(wěn)壓管，工作電流愈大，流愈大， rZ 值愈小。值愈小。IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 IZ/mA第一章 半導體器件4. 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化 1 引

27、起穩(wěn)定引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。電壓變化的百分比。 ( (1) ) UZ 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在在 4 7 V 之間，之間， U 值比較小，性能比較穩(wěn)值比較小，性能比較穩(wěn)定。定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V， U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V， U = ( (0.05 0.03) )%/( (3) ) 2DW7 系列為溫度補償穩(wěn)壓管，用于電子設備的系列為溫度補償穩(wěn)壓管，用于電子設備的精密穩(wěn)壓源中。精密穩(wěn)壓源中。第一章 半導體器件 2DW7 系列穩(wěn)壓管結構系列穩(wěn)壓管結構( (a) )2DW7 穩(wěn)壓管外形圖穩(wěn)壓管外形圖( (b) )內部結構示意圖內部結構示意圖管子內部包括管子內部包括兩個溫度系兩個溫度系數(shù)相反的二極管對接數(shù)相反的二極管對接在一起。在一起。溫度變化時，一個二極管被溫度變化時，一個二極管被反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而另一個二極管被正向偏置，溫度另一個二極管被正向偏置，溫度系數(shù)為負值，二者互相補償，系數(shù)為負值，二者互相補償，使使 1、2 兩端之間的電壓隨溫度的兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。變化很小。例：例： 2DW7C， U = 0.005 %/圖圖 1.2.122DW7 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管第一章 半導體器件5. 額定功耗額定功耗 PZ額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的