二極管及其基本電路基本知識和分析方法

1、二極管及其基本電路基本知識和分析方法123.1 半導(dǎo)體的基本知識3.3 二極管3.4 二極管的基本電路及其分析方法3.5 特殊二極管3.2 PN結(jié)的形成及特性第4次課第5次課33 二極管及其基本電路主要內(nèi)容半導(dǎo)體的基本知識PN 結(jié)的形成及特點(diǎn)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、V-I 特性、參數(shù)、及基本應(yīng)用電路基本要求了解半導(dǎo)體材料的基本結(jié)構(gòu)及PN 結(jié)的形成掌握PN 結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟碚莆斩O管（包括穩(wěn)壓管）的V-I 特性及其基本應(yīng)用43.1 半導(dǎo)體的基本知識 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用 雜質(zhì)半導(dǎo)體5 3.1.1 半導(dǎo)體材料絕緣體根據(jù)物體導(dǎo)電能力導(dǎo)體半導(dǎo)體硅Si鍺Ge砷化鎵

2、GaAs最常用導(dǎo)電率105Scm-1導(dǎo)電率10-22Scm-1導(dǎo)電率10-9102Scm-1。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間6通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2. 溫度可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率3. 光照可明顯地改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，同時還可以產(chǎn)生電動勢。 5. 外施電壓能發(fā)光，能制冷。 外界物理量能影響半導(dǎo)體中的電子變化，外施電壓能使半導(dǎo)體產(chǎn)生物理量 4. 半導(dǎo)體對很多物理量都很敏感，能夠制成很多種傳感器。半導(dǎo)體的特性簡介7 3.1.2 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)4價元素正離子芯周邊有4個電子圖示應(yīng)為立體結(jié)構(gòu)(a) 鍺Ge 的原子結(jié)構(gòu) (b) 硅Si 的原子結(jié)構(gòu)8

3、 3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對半導(dǎo)體經(jīng)高度提純并制成晶體后，原子間組成某種形式的晶體點(diǎn)陣，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。也就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。9 3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K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，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。10 3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電：空穴也能移動？！空穴的

4、移動空穴的運(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對 在外界的影響下（如熱、光、電場、磁場等），使得其共價鍵中的價電子獲得一定能量后，電子受到激發(fā)脫離共價鍵，成為自由電子（帶負(fù)電），共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”。電子移動導(dǎo)致電流因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的113-1-1兩種載流子.SWF12空穴的移動價電子空穴 自由電子空穴的相對移動實際是電子在移動，空穴是相對移動空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特點(diǎn)。13半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生載流子自由電子空穴兩種載流子共同形成半導(dǎo)體內(nèi)的電流。電子電流：空穴電流：自由電子作定向運(yùn)動所形成的

5、電流；被原子核束縛的價電子遞補(bǔ)空穴所形成的電流。14電流方向電子e實際方向空穴方向電子e實際方向空穴方向在自由空間運(yùn)行在原子束縛空間運(yùn)行電子依次遞補(bǔ)的相對運(yùn)動有阻力兩種載流子共同形成半導(dǎo)體內(nèi)的電流。電子e+空穴提示：實質(zhì)都是電子的運(yùn)動。15電流方向電子e實際方向空穴方向電子e實際方向空穴方向兩種載流子共同形成半導(dǎo)體內(nèi)的電流。電子e+空穴提示：實質(zhì)都是電子的運(yùn)動。半導(dǎo)體但是用電子描述無法量化，用空穴可以量化16關(guān)于所謂的空穴移動的分析：前面分析時已經(jīng)說明是電子的依次移動反映出空穴的相對移動因而將空穴的移動看做是另外一種電流的流動但是這種電流的流動的實質(zhì)還是電子的流動是一種電子在原子束縛能級中的依

6、次移動從這個觀點(diǎn)看來，半導(dǎo)體中的電流是由自由電子和在原子束縛能級中的電子兩種電子流構(gòu)成的。在原子束縛能級中移動的電子顯然受到的阻力大，反映出來的導(dǎo)電率低。因此綜合判斷半導(dǎo)體的總導(dǎo)電率低。17 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 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。 N型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。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(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 為什么先提純再摻雜形成雜質(zhì)半導(dǎo)體？18 1. N型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)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(dǎo)體原子中的價電子形成共

7、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。磷原子的結(jié)構(gòu)19N 型半導(dǎo)體示意圖 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)原子也稱為施主雜質(zhì)。半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)目大量增加，于是有：自由電子數(shù) 空穴數(shù)以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱為電子半導(dǎo)體或 N 型半導(dǎo)體（N type semiconductor ) 。少數(shù)載流子多數(shù)載流子20 2. P型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)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。硼原子的結(jié)構(gòu)21 2. P型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離

8、子。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。自由電子數(shù) 空穴數(shù)少數(shù)載流子 多數(shù)載流子因此以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱為空穴半導(dǎo)體 或 P 型半導(dǎo)體 (P type semiconductor ) 。22 3. 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(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: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度:3摻雜后的電子空穴濃度增加一百萬倍。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 23 本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 注意掌握本

9、節(jié)中的有關(guān)概念 自由電子、空穴 N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子 施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end最常用概念243.2 PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)的形成 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的反向擊穿 PN結(jié)的電容效應(yīng) 載流子的漂移與擴(kuò)散25 3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動由電場作用引起的載流子的運(yùn)動由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動+自然界中擴(kuò)散運(yùn)動例子很多，如墨水滴進(jìn)水中。但在固體中的擴(kuò)散例子較少，只產(chǎn)生于邊界。26 3.2.2 PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體基片上分別在兩個區(qū)域摻雜P型和N型元素構(gòu)成PN結(jié)27 3.2.2 PN結(jié)的形成28 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),

10、分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 29 對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 隨Ed擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡Ed 不變化形成穩(wěn)定的PN 結(jié)301）空間電荷區(qū)的正負(fù)離子雖帶電，但它們不能移動，不參與導(dǎo)電。因區(qū)域內(nèi)的載流子極少，所以空間電荷區(qū)的電阻率很高。2）內(nèi)電場對多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動起阻擋作用，所以空間

11、電荷區(qū)-PN結(jié)又稱為阻擋層或耗盡層。注意：31 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN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。 (1) PN結(jié)加正向電壓時降低結(jié)電阻大的正向擴(kuò)散電流多子電流縮短耗盡層外電場與內(nèi)電場方向相反偏-加載32內(nèi)電場 EdPN 結(jié)變窄多子擴(kuò)散運(yùn)動少子漂移運(yùn)動 PN 結(jié)導(dǎo)通（ PN 結(jié)呈現(xiàn) R )形成正向電流 I P區(qū)接正極N區(qū)接負(fù)極加正向電壓 (1) PN結(jié)加正向電壓時33 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (2) PN結(jié)加反向電壓時 高結(jié)電阻 很小的反向漂移電流 在一定的溫

12、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。 內(nèi)外電場同向，耗盡層被加寬，阻止多子流動34PN 結(jié)變寬多子擴(kuò)散運(yùn)動少子漂移運(yùn)動 PN 結(jié)截止 （PN 結(jié)呈現(xiàn)反向R ） 內(nèi)電場 Ed形成反向電流 I P區(qū)接負(fù)極N區(qū)接正極加反向電壓 (2) PN結(jié)加反向電壓時35結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。PN結(jié)加正向電壓時耗盡層電場與外施電場相反被削弱，PN結(jié)加反向電壓時耗盡層電場與外施電場相同被加寬結(jié)論：外施電壓能夠調(diào)節(jié)耗盡層的寬度，-壓控電阻。36

13、 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(3) PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）用伏安特性法分析k為波耳茲曼常數(shù)（1023J/K）T為熱力學(xué)溫度，即絕對溫度（單位為K，0K=-273C） q為電子電荷（1019C） 37 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(3) PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式vD為正當(dāng)vD比VT大幾倍時遠(yuǎn)大于1Vd為負(fù)當(dāng)Vd比Vt大幾倍時趨近于零因此 id =-IsId與Vd成指數(shù)關(guān)系該公式能夠正確表達(dá)二極管的伏安特性38 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(3) PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式從PN結(jié)電阻的角度分析伏安特

14、性：當(dāng)PN結(jié)正偏時外施電壓上升，結(jié)電阻下降=越過門檻電壓后迅速上升當(dāng)PN結(jié)反偏時=外施電壓和結(jié)電阻同步上升，反偏電流恒定。外施電壓上升，結(jié)電阻也上升39 3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)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。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆PN結(jié)外施反向電壓是有限度的擊穿有兩類：40 3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿熱擊穿當(dāng)反向電流和反向電壓的乘積超過PN結(jié)容許的耗散功率使結(jié)上溫升過熱而燒毀不可恢復(fù)為提高耗散功率可以增加加散熱裝置第4次課41 3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿 雪崩擊穿結(jié)上反壓增強(qiáng)，使少數(shù)載流子獲得足夠的動能，運(yùn)

15、動中與晶體原子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致原來共價鍵上的粒子獲得動能擺脫束縛，形成自由電子-空穴對，新生的自由電子再獲得電場動能還會繼續(xù)碰撞產(chǎn)生更多的自由電子-空穴對，持續(xù)效應(yīng)如同雪崩。電擊穿沒有超過耗散功率時可恢復(fù)42 3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿 齊納擊穿 雜質(zhì)濃度大，空間電荷區(qū)窄，加到一定高反壓時發(fā)生 齊納二極管-穩(wěn)壓用電擊穿沒有超過耗散功率時可恢復(fù) 破壞共價鍵，產(chǎn)生電子空穴對43 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1) 擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置擴(kuò)散運(yùn)動使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)在對方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時的電荷累積存儲電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。離結(jié)越遠(yuǎn)，

16、由于空穴與電子的復(fù)合，濃度將隨之減小。44 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1) 擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖兩者之比Q/V為擴(kuò)散電容CD。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運(yùn)動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q45 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng) (2) 勢壘電容CBend這種由空間電荷數(shù)量隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為PN結(jié)的勢壘電容。PN結(jié)的空間電荷區(qū)也稱勢壘區(qū)，是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)PN結(jié)兩端電壓改變時，會引起空間電荷數(shù)量的改變，從而產(chǎn)生PN結(jié)的電容效應(yīng)。46 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)endPN結(jié)的電容效應(yīng)主要影響二極管的高頻特性PN結(jié)的電容效應(yīng)是勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD的綜

17、合反映 當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時，結(jié)電容較大（主要決定于擴(kuò)散電容CD） 當(dāng)PN結(jié)處于反向偏置時，結(jié)電容較小（主要決定于勢壘電容CB）。 正偏時， Cj CD反偏時， Cj CB47 3.2.4 PN結(jié)特性總結(jié)正向電壓時，有一個死區(qū)，電壓越過死區(qū)時，電流以指數(shù)規(guī)律迅速上升。反向電壓時，PN結(jié)流過微小的反向電流，稱反向漏電流反向漏電流，不隨反向電壓變化，保持恒定，有恒流作用。反向電壓繼續(xù)增加到一定程度發(fā)生反向擊穿。反向電流迅速增加。反向漏電流受溫度等因素影響較大，構(gòu)成一種噪聲。正反向電流的增加都不能超過PN結(jié)耗散功率，導(dǎo)致PN燒毀。PN結(jié)加變化的正反向電壓時，都會呈現(xiàn)電容效應(yīng)。483.3 二極管 二

18、極管的結(jié)構(gòu) 二極管的伏安特性 二極管的主要參數(shù)493.3.1 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。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。50點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片平面型N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球51（c）代表符號 (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。(b)面接觸型（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型52外型負(fù)極正極正極負(fù)極符號53半導(dǎo)體二極管圖片54半導(dǎo)體二極管圖片55半導(dǎo)體二極管圖片56 3.3.2 二極管的V

19、-I 特性二極管的V-I 特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I 特性硅二極管2CP10的V-I 特性0.6二極管的正向壓降一般硅管取鍺管取沒有特殊規(guī)定時：57 3.3.3 二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR(3) 反向電流IR(4) 極間電容Cd（CB、 CD ）(5) 反向恢復(fù)時間TRR58(1) 最大整流電流IF是指管子長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。(2) 反向擊穿電壓VBR指管子反向擊穿時的電壓值一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全運(yùn)行。59(3) 反向電流IR指管子未擊穿時的反向電流值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂糜捎跍囟仍黾?，反向電流會明顯增加60(4)