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目前一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)

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)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對光、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目前二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：1886年2月，德國化學(xué)家Winkler向德國化學(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。鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。3目前三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.1本征半導(dǎo)體硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)5目前五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)。在絕對溫度零度(即0K，相當(dāng)于-273℃)，且無外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體無自由電子，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，足以掙脫共價(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目前六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.1本征半導(dǎo)體空穴——共價(jià)鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對。空穴的移動(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實(shí)現(xiàn)的。7目前七頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.1本征半導(dǎo)體本征激發(fā)

動(dòng)畫8目前八頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.1本征半導(dǎo)體空穴的運(yùn)動(dòng)

動(dòng)畫9目前九頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

10目前十頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)電子能與周圍四個(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)原子也稱為施主雜質(zhì)。11目前十一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.2N型半導(dǎo)體12目前十二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)因而也稱為受主雜質(zhì)。13目前十三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.1.3P型半導(dǎo)體14目前十四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響小結(jié)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=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目前十五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前十六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.1PN結(jié)的形成17目前十七頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(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(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目前十八頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.1PN結(jié)的形成19目前十九頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.1PN結(jié)的形成對于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。20目前二十頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.1PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成

動(dòng)畫21目前二十一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

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，稱為加反向電壓，簡稱反偏。22目前二十二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(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目前二十三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓動(dòng)畫24目前二十四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)

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)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(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關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。25目前二十五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓動(dòng)畫26目前二十六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)

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目前二十七頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前二十八頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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。

一是勢壘電容CB

二是擴(kuò)散電容CD29目前二十九頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢壘電容CB勢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。勢壘電容示意圖30目前三十頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)散過來的電子就堆積在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。反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。31目前三十一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。32目前三十二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前三十三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前三十四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(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。(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目前三十五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（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36目前三十六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安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37目前三十七頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

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)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。38目前三十八頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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)的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。39目前三十九頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.3.2二極管的伏安特性

溫度對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目前四十頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.3.2二極管的伏安特性溫度對二極管伏安特性曲線的影響41目前四十一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過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)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓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目前四十二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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；鍺二極管在微安(A)級。

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目前四十三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)半導(dǎo)體二極管圖片44目前四十四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4

二極管電路分析方法

6.4.1圖解分析方法

6.4.2簡化模型分析方法45目前四十五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.1圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。46目前四十六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)例1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)47目前四十七頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法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（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目前四十八頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法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）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型49目前四十九頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱為靜態(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特性線性化，得到小信號模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。50目前五十頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(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目前五十一頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻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目前五十二頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)6.4.2二極管電路的簡化模型分析方法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目前五十三頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí)，（自學(xué)）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法54目前五十四頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)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目前五十五頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽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陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。56目前五十六頁\總數(shù)六十八頁\編于二十二點(diǎn)2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號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=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的