模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第六章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

6.1半導(dǎo)體材料

6.1.1本征半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

6.1.3P型半導(dǎo)體1當(dāng)前1頁(yè)，總共68頁(yè)。

6.1半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類(lèi)材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。2當(dāng)前2頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：1886年2月，德國(guó)化學(xué)家Winkler向德國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)作了關(guān)于發(fā)現(xiàn)鍺報(bào)告，并將此元素命名為Germanium以紀(jì)念其祖國(guó)Germany。鍺在地殼中含量為0.0007%，較金、銀、鉑的含量均高，由于資源分散，增加了冶煉困難，屬于稀有元素一類(lèi)。鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。3當(dāng)前3頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體硅：1823年，瑞典的貝采利烏斯，用氟化硅或氟硅酸鉀與鉀共熱，得到粉狀硅。硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構(gòu)成的，這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。硅是一種半導(dǎo)體材料，可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路。4當(dāng)前4頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)5當(dāng)前5頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(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)。在絕對(duì)溫度零度(即0K，相當(dāng)于-273℃)，且無(wú)外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體無(wú)自由電子，和絕緣體一樣不導(dǎo)電。

當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得了足夠的能量，足以?huà)昝摴矁r(jià)鍵的束縛，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下相同數(shù)量的空穴。6當(dāng)前6頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體空穴——共價(jià)鍵中的空位。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)?？昭ǖ囊苿?dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。7當(dāng)前7頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體本征激發(fā)

動(dòng)畫(huà)8當(dāng)前8頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體空穴的運(yùn)動(dòng)

動(dòng)畫(huà)9當(dāng)前9頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：電子濃度＝空穴濃度

缺點(diǎn)：載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力弱。如果摻入微量的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電性能就會(huì)發(fā)生顯著改變。按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

10當(dāng)前10頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.2N型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的5價(jià)元素，如磷（P），則硅晶體中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)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,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。11當(dāng)前11頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.2N型半導(dǎo)體12當(dāng)前12頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（B）或鋁（Al），則硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子代替。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)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(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。13當(dāng)前13頁(yè)，總共68頁(yè)。6.1.3P型半導(dǎo)體14當(dāng)前14頁(yè)，總共68頁(yè)。雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響小結(jié)摻入雜質(zhì)對(duì)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=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm315當(dāng)前15頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)的反向擊穿

6.2.1PN結(jié)的形成16當(dāng)前16頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.1PN結(jié)的形成17當(dāng)前17頁(yè)，總共68頁(yè)。在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)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(guò)程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)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(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)18當(dāng)前18頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.1PN結(jié)的形成19當(dāng)前19頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.1PN結(jié)的形成對(duì)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(chēng)為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。20當(dāng)前20頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.1PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成

動(dòng)畫(huà)21當(dāng)前21頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。22當(dāng)前22頁(yè)，總共68頁(yè)。外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3當(dāng)前23頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓動(dòng)畫(huà)24當(dāng)前24頁(yè)，總共68頁(yè)。

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽谝欢ǖ臏囟葪l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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流。25當(dāng)前25頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓動(dòng)畫(huà)26當(dāng)前26頁(yè)，總共68頁(yè)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?7當(dāng)前27頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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）:28當(dāng)前28頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢(shì)壘電容CB

二是擴(kuò)散電容CD29當(dāng)前29頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容示意圖30當(dāng)前30頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容CD

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線(xiàn)。反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類(lèi)似的濃度梯度分布曲線(xiàn)。31當(dāng)前31頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)電容的充放電過(guò)程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線(xiàn)性電容。32當(dāng)前32頁(yè)，總共68頁(yè)。6.2.4PN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(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)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33當(dāng)前33頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)34當(dāng)前34頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)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(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。35當(dāng)前35頁(yè)，總共68頁(yè)。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(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36當(dāng)前36頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線(xiàn)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37當(dāng)前37頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.2二極管的伏安特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱(chēng)為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。

當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。38當(dāng)前38頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.2二極管的伏安特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱(chēng)反向飽和電流IS。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱(chēng)為反向擊穿電壓。39當(dāng)前39頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.2二極管的伏安特性

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，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。

另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。40當(dāng)前40頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.2二極管的伏安特性溫度對(duì)二極管伏安特性曲線(xiàn)的影響41當(dāng)前41頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.3二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR——和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓VBR。

為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。42當(dāng)前42頁(yè)，總共68頁(yè)。6.3.3二極管的主要參數(shù)(4)正向壓降VF(5)動(dòng)態(tài)電阻rd

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。

在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。

反映了二極管正向特性曲線(xiàn)斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=VF/IF(3)反向電流IR43當(dāng)前43頁(yè)，總共68頁(yè)。半導(dǎo)體二極管圖片44當(dāng)前44頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4

二極管電路分析方法

6.4.1圖解分析方法

6.4.2簡(jiǎn)化模型分析方法45當(dāng)前45頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.1圖解分析方法二極管是一種非線(xiàn)性器件，因而其電路一般要采用非線(xiàn)性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線(xiàn)。46當(dāng)前46頁(yè)，總共68頁(yè)。例1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線(xiàn)、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線(xiàn)，稱(chēng)為負(fù)載線(xiàn)

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)47當(dāng)前47頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線(xiàn)性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型48當(dāng)前48頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線(xiàn)模型（a）V-I特性（b）電路模型49當(dāng)前49頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線(xiàn)性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線(xiàn)。50當(dāng)前50頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型過(guò)Q點(diǎn)的切線(xiàn)可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型51當(dāng)前51頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型

特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）電路模型52當(dāng)前52頁(yè)，總共68頁(yè)。6.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形53當(dāng)前53頁(yè)，總共68頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線(xiàn)模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí)，（自學(xué)）（a）簡(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫(huà)法54當(dāng)前54頁(yè)，總共68頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。55當(dāng)前55頁(yè)，總共68頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開(kāi)關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。56當(dāng)前56頁(yè)，總共68頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1