模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第2講 半導體二極管

1、半導體基礎(chǔ)知識半導體二極管第一章常用半導體器件主要內(nèi)容第一章常用半導體器件依照導電性能，可以把媒質(zhì)分為導體、絕緣體和半導體。 導體有良好的導電能力，常見的有銅、鋁等金屬材料；絕緣體基本上不能導電，常見的有玻璃、陶瓷等材料；半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間，常見的有硅(Si)、 鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。半導體的導電能力會隨溫度、光照的變化或因摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化,具有溫敏性、光敏性、摻雜性。1.1 半導體基礎(chǔ)知識原子的最外層電子叫價電子。物質(zhì)的半導體性能與價電子有關(guān)。價電子數(shù)目越接近于8個，物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。金屬的價電子一般少于4個，單質(zhì)絕緣體一般多于4個。半導體的價

2、電子數(shù)為4個。 第一章常用半導體器件相鄰的原子被共有的價電子聯(lián)系在一起，原子的這種組合叫共價鍵。 本征半導體： 無摻雜的純凈的單晶半導體，包括本征硅和鍺。 第一章常用半導體器件本征半導體中存在本征激發(fā)和復合。 本征半導體受外界能量(熱能、電能和光能)激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對的過程是本征激發(fā)；電子空穴對在運動中相遇，電子添入空穴，從而消失電子空穴對的過程是復合特點：.有兩種不同的載流子，自由電子，空穴。.室溫下電子，空穴對有限，導電力差。(1) 在半導體中有兩種載流子這就是半導體和金屬導電原理的 本質(zhì)區(qū)別a. 電阻率大(2) 本征半導體的特點b. 導電性能隨溫度變化大小結(jié)帶正電的空穴帶負電的自由電子

3、本征半導體不能在半導體器件中直接使用第一章常用半導體器件雜質(zhì)半導體：摻雜后的半導體，包括N型半導體和P型半導體。N型半導體：在本征半導體中摻入五價元素(磷、砷、銻)等，每個雜質(zhì)原子(施主原子)提供一個自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。P型半導體：在本征半導體中摻入三價元素(硼、鋁、銦)等，每個雜質(zhì)原子(受主原子)提供一個空穴，從而大量增加空穴數(shù)量。P型半導體中空穴濃度遠大于自由電子濃度，為多數(shù)載流子(多子)，自由電子為少數(shù)載流子(少子)。N型半導體中自由電子濃度遠大于空穴濃度，為多數(shù)載流子(多子)，空穴為少數(shù)載流子(少子)。第一章常用半導體器件 雜質(zhì)半導體的導電性能主要取決于多子的濃度.多子

4、濃度主要取決于摻雜濃度.其值較大并且穩(wěn)定.因此導電性能得一顯著改善. 少子的濃度主要與本征半導體激發(fā)有關(guān).因此對溫度敏感,其大小隨溫度升高而增大。c. 電子是多數(shù)載流子，簡稱多子;空穴是少數(shù)載流 子，簡稱少子。e. 因電子帶負電，稱這種半導體為N(negative)型或 電子型半導體。f. 因摻入的雜質(zhì)給出電子，又稱之為施主雜質(zhì)。b. N型半導體中產(chǎn)生了大量的(自由）電子和正離子。小結(jié)d. np nn=K(T)a. N型半導體是在本征半導體中摻入少量五價雜質(zhì) 元素形成的。c. 空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。e. 因空穴帶正電，稱這種半導體為P(positive)型或 空穴型半導體。f.

5、因摻入的雜質(zhì)接受電子，故稱之為受主雜質(zhì)。a. P型半導體是在本征半導體中摻入少量的三價 雜質(zhì)元素形成的。b. P型半導體產(chǎn)生大量的空穴和負離子。小結(jié)d. np nn=K(T)當摻入三價元素的密度大于五價元素的密度時，可將N型轉(zhuǎn)為P型；雜質(zhì)半導體的轉(zhuǎn)型當摻入五價元素的密度大于三價元素的密度時，可將P型轉(zhuǎn)為N型。N+N+以N型半導體為基片通過半導體擴散工藝3. PN結(jié)的形成使半導體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N+-P-第一章常用半導體器件PN結(jié)PN結(jié)的形成半導體中的電流包括漂移電流和擴散電流。漂移電流：在電場作用下，半導體中的載流子作定向漂移運動形成的電流。擴散電流：在載流子濃度梯度作用下

6、，半導體中的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散形成的電流。漂移電流是電子漂移電流和空穴漂移電流之和。擴散電流正比于載流子的濃度梯度即濃度差。第一章常用半導體器件 P型半導體和N型半導體有機地結(jié)合在一起時，因為P區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子。 結(jié)果在界面的兩側(cè)形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區(qū)。第一章常用半導體器件 由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)(層)。又因為空間電荷區(qū)的內(nèi)

7、電場對擴散有阻擋作用，好像壁壘一樣，所以又稱它為阻擋區(qū)或勢壘區(qū)。因濃度差 多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散第一章常用半導體器件使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡稱正偏) 。 使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡稱反偏) 。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦詀.載流子兩種運動:擴散、漂移運動。b.無外加電壓的動態(tài)平衡。c.加正向偏置.形成導通電流，正向電阻小。d.反向電阻很大。e.反向飽和電流IS ，受溫度影響較大。 PN結(jié)的特點第一章常用半導體器件 PN結(jié)的伏安特性+_PN_uiIS

8、 PN結(jié)反向飽和電流UT 熱電壓式中UT=KT qq 電子電量T 絕對溫度在室溫（T=300K)時， 。K 玻耳茲曼常數(shù)其中(1) 當u = 0時，i = 0 ；(3) 當u UT 時，i IS 。討論(2) 當u0，且u UT 時， ；第一章常用半導體器件 流過PN結(jié)的電流i 與外加電壓u之間的關(guān)系為 IS：反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)； UT=kT/q：溫度的電壓當量或熱電壓。在T=300K(室溫)時， UT =26mV。PN結(jié)的伏安特性第一章常用半導體器件PN結(jié)的電容效應(yīng)勢壘電容勢壘電容：當外加電壓增大時，多子被推向耗盡區(qū)，使正、負離子減少，相當于存貯的電荷量

9、減少；當外加電壓減小時，多子被推離耗盡區(qū)，使正、負離子增多，相當于存貯的電荷量增加。勢壘電容由空間電荷區(qū)的變化引起的，用 CB 來表示。 勢壘電容不是常數(shù)，與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓的大小有關(guān)。第一章常用半導體器件擴散電容擴散電容：正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。 非平衡少子濃度分布梯度外加電壓增加勢壘電容和擴散電容都隨外加電壓的變化而變化，都是非線性電容。PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj= Cb + Cd 。正偏時以Cd為主， Cj Cd ，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以Cb為主， Cj Cb,其值通常為幾至幾十pF。因為Cb和Cd并不

10、大，所以在高頻工作時，才考慮它們的影響。 第一章常用半導體器件1.2 半導體二極管晶體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼構(gòu)成的。 常見類型：普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管 第一章常用半導體器件第一章常用半導體器件1.2 半導體二極管常見結(jié)構(gòu)PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。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。1.2 半導體二極管二極管的伏安特性(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。 當0VVth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電

11、壓或開啟電壓。 當V0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段： 當VVth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(2) 反向特性當V0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當VBRV0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。 當VVBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。1.2 半導體二極管二極管的溫度特性1.溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12，反向電流大約增加一倍。2.溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1，正向壓降Ud大約減小2 mV，即具有負的

12、溫度系數(shù)。溫度升高，正向特性左移，反向特性下移. 為了保證PN結(jié)正常工作，它的最高工作溫度有一個限制，對硅材料約為(150-200)，對鍺材料約為(75-100)。 1.2 半導體二極管二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 最高反向工作電壓UR(3) 反向電流IR(4) 工作頻率fM常用二極管型號反壓V電流(A)類型用途1N400150V1整流二極管一般小電流整流電路，工作頻率不高的一般用途。廣泛應(yīng)用。如小型電源、充電器等。1N4002100V11N4003200V11N4004400V11N4005600V11N4006800V11N40071000V11N5401-1N50810

13、0V-1000V3整流二極管電流較大整流電路1N414850V0.1開關(guān)二極管開關(guān)、小電流應(yīng)用等1.2 半導體二極管二極管等效電路 1. 理想模型3. 折線模型 2. 恒壓降模型二極管的最重要的應(yīng)用是作為“開關(guān)”。由此而引申出來的有整流、限幅及電平選擇等諸多方面的應(yīng)用。在任何應(yīng)用電路中，最核心的問題是如何判斷二極管是處于導通或是截止狀態(tài)。如果是導通的，二極管即可視為短路或0.7V(鍺材料為0.2V)，反之，是截止的，即可視為為開路。 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓管（又稱齊納二極管）是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。由于在電路中能起到穩(wěn)定電壓的作用，稱為穩(wěn)壓二極管。(b)(c)(a)穩(wěn)壓管主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)定電流IZ額定功耗PZM動態(tài)電阻rz穩(wěn)壓管使用的注意事項： 穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，起到穩(wěn)壓