第2章 半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管及其電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體二極管及其電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體二極管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的強弱，可將它們劃分成為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體——鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流絕緣體——惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。將純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，即為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子——本征激發(fā)自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體中的兩種載流子兩種載流子

外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。運載電荷的粒子稱為載流子。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體磷（P）

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)N型半導(dǎo)體五價雜質(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(dǎo)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,由本征激發(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)原子也稱為施主雜質(zhì)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)P型半導(dǎo)體三價雜質(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(dǎo)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(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)PN結(jié)的形成及特性載流子的漂移與擴散漂移由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運動稱為漂移。對空穴而言，其移動方向與電場方向相同。對電子而言，其移動方向與電場方向相反。擴散基于載流子的濃度差異，載流子由高濃度區(qū)域向低濃度的區(qū)域擴散，從而形成擴散電流。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)PN結(jié)的形成擴散運動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動

由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)PN結(jié)單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓：內(nèi)電場減弱，擴散運動加強，擴散>漂移，正向電流大。PN結(jié)加反向電壓：內(nèi)電場加強，阻止擴散運動，有少量漂移，反向電流很小模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

PN結(jié)加上正向電壓或正向偏置：P區(qū)電位>N區(qū)電位PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通

PN結(jié)加上反向電壓或反向偏置的意思都是：P區(qū)電位<N區(qū)電位PN結(jié)加反向電壓截止模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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。擊穿的類型根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿熱擊穿模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)降低反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，如果a.功耗PD(=|UDID|)不大b.PN結(jié)的溫度小于允許的最高結(jié)溫硅管150∽200oC鍺管75∽100oC熱擊穿電擊穿模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)雪崩擊穿半導(dǎo)體的摻雜濃度低擊穿電壓高于6V擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)空間電荷區(qū)中就有較強的電場擊穿的機理條件擊穿的的特點雪崩擊穿電場使PN結(jié)中的少子“碰撞電離”共價鍵中的價電子模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)齊納擊穿齊納擊穿

半導(dǎo)體的摻雜濃度高擊穿電壓低于4V擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)空間電荷層中有較強的電場電場將PN結(jié)中的價電子從共價鍵中激發(fā)出來擊穿的機理條件擊穿的特點模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)PN結(jié)電容效應(yīng)勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)問題為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)二極管的伏安特性二極管的主要參數(shù)二極管的基本電路及其分析方法特殊二極管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管的結(jié)構(gòu)將PN結(jié)用外殼封裝起來，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 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。點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管的伏安特性及伏安特性方程二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性方程可用下式表示式中IS為反向飽和電流，υ為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。伏安特性方程記住模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA導(dǎo)通壓降模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管基本電路及其分析方法 二極管是一種非線性器件，采用線性元件構(gòu)成的電路來近似模擬二極管的特性——模型法二極管等效模型1、理想模型正向偏置時，管壓降為0V，而當(dāng)反向偏置時，電阻為無窮大，電流為零。電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的管壓降模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2、恒壓降模型當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降為恒定，且不隨電流而變。對于硅管來說當(dāng)vD<0.7V時就截止，當(dāng)vD>0.7V時就導(dǎo)通。對于鍺管來說當(dāng)vD<0.2V時就截止，當(dāng)vD>0.2V時就導(dǎo)通。vDiD+-iDvD近似分析中最常用模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3、折線模型修正恒壓降模型，即二極管的管壓降不是恒定的，隨著通過二極管電流的增加而增加。模型中用一個電池和一個電阻rD進一步近似。電池電壓為二極管的開啟電壓von，約為0.5V。vDiD+-iDvDVon二極管的導(dǎo)通電流為1mA時，管壓降為0.7V模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

4、小信號模型Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管應(yīng)用電路1、二極管電路的靜態(tài)工作情況分析例1設(shè)簡單二極管基本電路如a所示，R=10kΩ，圖b是它的習(xí)慣畫法。對于下列兩種情況，求電路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每種情況下，應(yīng)用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解。設(shè)折線模型中rD=0.2k模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（1）VDD=10V時解：為了簡單起見，圖a所示的電路常采用圖b所示的習(xí)慣畫法，今后經(jīng)常用到。①理想模型正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為∞。②恒壓降模型③折線模型當(dāng)iD≥1mA時，vD=0.7V。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(2)VDD=1V①使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD/R=0.1mA②使用恒壓降模型得：VD=0.7V，

ID=（VDD－0.7）/R=0.03mA③使用折線模型得：ID=0.049mA，VD=0.51V當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管管壓降時，恒壓降模型能得出較合理的結(jié)果；當(dāng)電源電壓較低時，折線模型較合理。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)RLuiuouiuott2、整流電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)例2二極管基本電路如a所示，已知υs為正弦波，如圖b所示。試?yán)枚O管理想模型，定性地繪制出υ0的波形不管輸入信號處于正或負(fù)半周，負(fù)載上得到的都是正向電壓。vivo模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

正半周：D1、D3導(dǎo)通D2、D4截止

負(fù)半周D2、D4導(dǎo)通D1、D3截止模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3、限幅電路：

利用二極管單向?qū)щ娦院蛯?dǎo)通后恒壓的特點，將信號限定在某一范圍之內(nèi)變化。

例一：理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。VRVmvit0Vi>VR時，二極管導(dǎo)通，vo=vi。Vi<VR時，二極管截止，vo=VR。解：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)|vi|<0.7V時，D1、D2截止，所以vo=vi|vi|>0.7V時，D1、D2中有一個導(dǎo)通，所以vo=0.7Vvovi例二模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)例三vovivi<0.7V+0.7V=1.4V時，D1、D2截止，所以vo=vivi>1.4V時，D1、D2導(dǎo)通，所以vo=0.7+0.7V=1.4V模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4、低電壓穩(wěn)壓電路利用二極管的正向壓降特性，可以獲得較好的穩(wěn)壓性能。例：圖示電路中，直流電源VI的正常值為10V，R=10kΩ，若VI變化±1V時，相應(yīng)的輸出電壓的變動？解：（1）VI=

10V，恒壓降模型：VD≈0.7V二極管Q點上的電流：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）計算Q點上二極管的微變電阻（3）VI變化±1V，視為一峰-峰值為2V的交流信號，則輸出電壓變化量為：二極管電壓的變化為±2.79mV，穩(wěn)壓效果較好。為獲得較好的穩(wěn)壓特性，采用多只二極管串接（3~4V以下）。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)5、開關(guān)電路當(dāng)υi1=0V、υi2=5V時，D1導(dǎo)通，D2截止υ0=0Vvi1vi2

二極管工作狀態(tài)voD1D20V0V導(dǎo)通導(dǎo)通0V0V5V導(dǎo)通截止0V5V0V5V5V截止導(dǎo)通0V截止截止5V輸入端的輸入信號中，只要有一個為0V，則輸出為0V只有當(dāng)兩個輸入端電壓均為5V時，輸出才為5V這種關(guān)系在數(shù)字電路中稱為與邏輯模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)例

設(shè)圖示電路中的二極管性能均為理想。試判斷各電路中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A、B兩點之間的電壓ＵAB值。V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(a)V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(b)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[解]判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法1.斷開二極管，分析電路斷開點的開路電壓。如果該電壓能使二極管正偏，且大于二極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二極管截止。2.如果電路中有兩個二極管，利用方法1分別判斷各個二極管兩端的開路電壓，開路電壓高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后，再根據(jù)電路的約束條件，判斷另一個二極管的工作狀態(tài)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)對于圖

a，經(jīng)判斷知，D1、D2兩端的開路電壓分別為：D2反偏電壓為15VD1導(dǎo)通ＵAB=0VD2截止10V，–5VV115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(a)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)對于圖

b，經(jīng)判斷知，D1、D2兩端的開路電壓分別為即D1上的反偏電壓為15VD2優(yōu)先導(dǎo)通ＵAB=–15VD1截止10V，25VD2導(dǎo)通后V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(b)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)特殊二極管1、穩(wěn)壓二極管特點a.正向特性與普通管類似穩(wěn)壓管通常工作于反向電擊穿狀態(tài)符號b.反向擊穿特性很陡VIZminIZmaxVZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。VZI當(dāng)IZ<IZmin時，穩(wěn)壓管進入反向截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)IZ>IZmax時，穩(wěn)壓管可能被燒毀當(dāng)IZmin<IZ<IZmax時，穩(wěn)壓管進入反向擊穿狀態(tài)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)