第六章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路3

6半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路6.1半導(dǎo)體材料6.3半導(dǎo)體二極管6.4二極管電路分析方法6.5特殊二極管6.2PN結(jié)的形成及特性16.1半導(dǎo)體材料

6.1.1本征半導(dǎo)體

6.1.2N型半導(dǎo)體

6.1.3P型半導(dǎo)體2

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。36.1.1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)會作了關(guān)于發(fā)現(xiàn)鍺報告，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。46.1.1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。56.1.1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)66.1.1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，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，某些共價鍵中的價電子獲得了足夠的能量，足以掙脫共價鍵的束縛，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時在共價鍵中留下相同數(shù)量的空穴。76.1.1本征半導(dǎo)體空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。86.1.1本征半導(dǎo)體本征激發(fā)

動畫96.1.1本征半導(dǎo)體空穴的運(yùn)動

動畫106.1.1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。

116.1.2N型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的5價元素，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,由熱激發(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)。126.1.2N型半導(dǎo)體136.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價元素，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)。146.1.3P型半導(dǎo)體15雜質(zhì)姨對半播導(dǎo)體脆導(dǎo)電恭性的京影響小結(jié)摻入問雜質(zhì)器對本傻征半冤導(dǎo)體壇的導(dǎo)遣電性飽有很酷大的此影響岸，一饅些典燦型的雖數(shù)據(jù)查如下: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以上贊三個無濃度灑基本樸上依甜次相比差106/c溉m3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3166.扯2活P賞N結(jié)的尋形成聰及特江性6.危2.意2PN結(jié)的杜單向嶺導(dǎo)電樓性6.尾2.頂3鞏P姜N結(jié)的侮電容授效應(yīng)6.給2.喊4PN結(jié)的掘反向水擊穿6.簡2.察1葵P軍N結(jié)的飼形成176.鄙2.稿1施P股N結(jié)的破形成18在一坦塊本秤征半窯導(dǎo)體型兩側(cè)咐通過含擴(kuò)散誤不同秘的雜年質(zhì),分別燙形成N型半暴導(dǎo)體勵和P型半辜導(dǎo)體挖。此壘時將州在N型半勒導(dǎo)體鍵和P型半拔導(dǎo)體蔽的結(jié)坊合面娘上形錄成如州下物襪理過擋程:因濃關(guān)度差空間芽電荷泊區(qū)形傭成內(nèi)梳電場內(nèi)電汗場促吹使少朽子漂勞移內(nèi)電蔥場阻陜止多萌子擴(kuò)越散最后,多子齒的擴(kuò)散和少判子的漂移達(dá)到動態(tài)菜平衡。多子挖的擴(kuò)罪散運(yùn)拋動由雜質(zhì)怎離子度形成?？臻g丙電荷圍區(qū)196.底2.憐1劉P啞N結(jié)的拌形成206.召2.品1翁P娘N結(jié)的盼形成對于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。216.影2.出1楚P宰N結(jié)的前形成PN結(jié)的盡形成動畫226.刑2.臺2彎P厭N結(jié)的追單向致導(dǎo)電孝性如果挑外加販電壓砍使PN結(jié)中邊：P區(qū)的見電位在高于N區(qū)的雅電位選，稱遠(yuǎn)為加博正向目電壓貿(mào)，簡鬼稱正偏；PN結(jié)具待有單派向?qū)Ю㈦娦耘R，若科外加籃電壓豎使電薄流從P區(qū)流圓到N區(qū)，PN結(jié)呈鉛低阻碌性，長所以摧電流塌大；廊反之賊是高肉阻性棄，電業(yè)流小株。P區(qū)的賊電位遠(yuǎn)低于N區(qū)的壺電位翠，稱烈為加頌反向晌電壓備，簡賭稱反偏。23外加慢的正卻向電革壓有摘一部姐分降潤落在PN結(jié)區(qū)字，方悄向與PN結(jié)內(nèi)技電場狠方向正相反槽，削剩弱了乞內(nèi)電苗場。洽內(nèi)電旨場對角多子肅擴(kuò)散扇運(yùn)動癢的阻仗礙減竭弱，侵?jǐn)U散折電流融加大純。擴(kuò)鎖散電水流遠(yuǎn)裂大于謊漂移墳電流勻，可喬忽略金漂移燥電流初的影飯響,煉PN結(jié)呈寄現(xiàn)低汽阻性。PN結(jié)加膠正向朵電壓厚時的村導(dǎo)電況情況6.茫2.安2腰P室N結(jié)的膛單向殃導(dǎo)電鳳性246.連2.莊2詳P敬N結(jié)的蝦單向紡導(dǎo)電好性PN結(jié)加貓正向襖電壓動畫25外加敲的反斬向電胸壓有醬一部鋒分降販落在PN結(jié)區(qū)巨，方稻向與PN結(jié)內(nèi)批電場糟方向助相同尋，加御強(qiáng)了鎮(zhèn)內(nèi)電榜場。制內(nèi)電是場對巷多子昨擴(kuò)散雨運(yùn)動宋的阻隸礙增虛強(qiáng)，特擴(kuò)散堤電流外大大鞋減小獄。此擔(dān)時PN結(jié)區(qū)恐的少螺子在日內(nèi)電客場的集作用叔下形印成的纏漂移漁電流至大于遍擴(kuò)散統(tǒng)電流脅，可數(shù)忽略掠擴(kuò)散肺電流文，由璃于漂湖移電宏流本饅身就抬很小山，PN結(jié)呈辯現(xiàn)高所阻性敗。PN結(jié)加廣反向辟電壓竭時的著導(dǎo)電延情況6.坑2.嗓2飲P跨N結(jié)的鞠單向午導(dǎo)電舞性在一定的溫度條件下，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。266.題2.齒2騾P虎N結(jié)的很單向微導(dǎo)電蒜性PN結(jié)加夜反向宅電壓動畫27PN結(jié)加仁正向短電壓纖時，繪呈現(xiàn)衡低電指阻，爭具有誰較大加的正士向擴(kuò)航散電句流；PN結(jié)加滑反向傍電壓爛時，艙呈現(xiàn)撕高電驅(qū)阻，輸具有釣很小昨的反赴向漂匯移電蘆流。由此免可以種得出鐵結(jié)論叔：PN結(jié)具謝有單筋向?qū)С孰娦赃|。286.詳2.宿2伸P尺N結(jié)的禽單向扣導(dǎo)電聞性PN結(jié)V-I特性悉表達(dá)裁式：其中:PN結(jié)的奪伏安愿特性IS——反向腿飽和仔電流VT——溫度閑的電吉壓當(dāng)夸量且在叮常溫幟下(T=3校00賀K）:296.臣2.恢3甩P擾N結(jié)的愚電容結(jié)效應(yīng)PN結(jié)具私有一姑定的徹電容禽效應(yīng)職，它膛由兩北方面暑的因蕩素決諒定。一是辜勢壘刺電容CB二是盜擴(kuò)散陪電容CD306.面2.弊3射P尾N結(jié)的尸電容翼效應(yīng)(1石)勢壘陰電容CB勢壘抱電容陽是由寧空間善電荷禾區(qū)離顫子薄湊層形揪成的農(nóng)。當(dāng)扯外加婆電壓靜使PN結(jié)上亂壓降笑發(fā)生謀變化唇時，促離子買薄層壩的厚棉度也楊相應(yīng)革地隨擁之改秤變，繡這相養(yǎng)當(dāng)PN結(jié)中障存儲雙的電摸荷量烘也隨判之變哥化，欺猶如夸電容園的充拳放電駱。勢壘詢電容暈示意翁圖316.閃2.灑3計P輔N結(jié)的蠅電容錫效應(yīng)(2痰)擴(kuò)散朝電容CD擴(kuò)散燥電容串是由余多子寒?dāng)U散巧后，梁在PN結(jié)的樂另一蘆側(cè)面功積累拾而形樸成的抄。因PN結(jié)正血偏時廟，由N區(qū)擴(kuò)摟散到P區(qū)的艱電子駁，與預(yù)外電粱源提淺供的籮空穴期相復(fù)垂合，擊形成懇正向電流。剛萌擴(kuò)散協(xié)過來氧的電貿(mào)子就睬堆積嗎在P區(qū)內(nèi)丈緊靠PN結(jié)的糖附近竄，形攜成一智定的贈多子柴濃度燭梯度缺分布場曲線緊。反之床，由P區(qū)擴(kuò)料散到N區(qū)的薦空穴至，在N區(qū)內(nèi)呈也形漿成類寇似的溜濃度下梯度住分布衰曲線璃。326.康2.涂3斃P恰N結(jié)的驅(qū)電容巧效應(yīng)擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外題加正忙向電搶壓不惰同時繭，擴(kuò)趣散電源流即僑外電幅路電竹流的蚊大小射也就嫌不同吩。所匆以PN結(jié)兩蓋側(cè)堆每積的律多子璃的濃照度梯絨度分醒布也羨不相艷同，擴(kuò)這就節(jié)相當(dāng)摸電容室的充忍放電磁過程踢。勢偶壘電第容和通擴(kuò)散緊電容潛均是注非線舉性電腳容。336.厚2.自4叢P丙N結(jié)的敘反向階擊穿當(dāng)PN結(jié)的顫反向但電壓機(jī)增加姑到一申定數(shù)拒值時黎，反支向電址流突竹然快弓速增混加，聯(lián)此現(xiàn)副象稱朱為PN結(jié)的反向污擊穿帆。熱擊肆穿——不可吃逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆346鞋.勸3半導(dǎo)司體二主極管6.某3.膽1半導(dǎo)追體二維極管朝的結(jié)菌構(gòu)6.盆3.遼2二極糠管的逝伏安鈴特性6.練3.勁3二極舉管的及主要克參數(shù)356.嗽3.嶄1半導(dǎo)臣體二偷極管挎的結(jié)舞構(gòu)在PN結(jié)上悶加上平引線掏和封基裝，羨就成賭為一本個二寇極管蘭。二龍極管閱按結(jié)民構(gòu)分蛙有點(diǎn)接菌觸型謊、面熄接觸擇型兩大斬類。(1賤)點(diǎn)接倉觸型市二極返管點(diǎn)接謙觸型二極治管結(jié)谷構(gòu)示步意圖PN結(jié)面紫積小運(yùn)，結(jié)度電容域小，辮用于姑檢波職和變魔頻等銀高頻浮電路有。36（a）面幣接觸岡型屋（b）集吼成電險路中蹦的平塔面型綢（c）代泳表符艙號(2非)面接第觸型齡二極揪管PN結(jié)面銀積大非，用志于工鈔頻大那電流柄整流行電路社。(b鋸)面接慮觸型376.糕3.縮慧2二極判管的晴伏安晚特性二極步管的史伏安輩特性祝曲線閥可用拒下式間表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性386.卵3.體2二極跌管的撲伏安靠特性硅二極每管的傻死區(qū)雹電壓Vth=0妻.5松V左右忠，鍺二極緣瑞管的轟死區(qū)璃電壓Vth=0泡.1釋V左右忘。當(dāng)0＜V＜Vth時，刷正向決電流診為零肺，Vth稱為則死區(qū)沾電壓居或開姓啟電撥壓。當(dāng)V＞0即處結(jié)于正掏向特彎性區(qū)捷域。正向賊區(qū)又付分為低兩段置：當(dāng)V＞Vth時，貓開始鳥出現(xiàn)書正向痕電流悲，并暫按指根數(shù)規(guī)廟律增深長。396.插3.縫2二極蒜管的沉伏安汗特性當(dāng)V＜0時，振即處址于反肅向特攝性區(qū)抹域。秩反向編區(qū)也木分兩貓個區(qū)止域：當(dāng)VBR＜V＜0時，川反向這電流斃很小蹲，且佩基本站不隨筐反向奔電壓閥的變買化而草變化賞，此纏時的仔反向失電流押也稱山反向悠飽和記電流IS。當(dāng)V≥假VBR時，膠反向衰電流銀急劇沃增加酷，VBR稱為貼反向犬擊穿駛電壓。406.飛3.經(jīng)2二極裹管的休伏安斷特性溫度核對二莊極管腰的性太能有醬較大災(zāi)的影表響，器溫度驚升高拋時，椒反向柜電流芒將呈嶄指數(shù)閘規(guī)律離增加扶，如鋼硅二俯極管淡溫度事每增侄加8℃，反柱向電址流將氣約增音加一貸倍；方鍺二語極管邀溫度藥每增躬加12否℃，反幅向電敬流大釘約增迷加一蹄倍。另外莫，溫濃度升禁高時家，二作極管向的正墾向壓酷降將進(jìn)減小趟，每昨增加1℃，正歡向壓含降VF(VD)大約投減小2m匙V，即具戶有負(fù)橫的溫樸度系擴(kuò)數(shù)。416.蠻3.括2二極瀉管的紅伏安慎特性溫度對二極管伏安特性曲線的影響426.刮3.蟻3二極研管的貢主要葛參數(shù)半導(dǎo)舞體二亡極管屈的參戰(zhàn)數(shù)包休括最享大整棒流電鉆流IF、反向陣擊穿店電壓VBR、最大漆反向擁工作民電壓VRM、反向捐電流IR、最高約工作滔頻率fma沈x和結(jié)閃電容Cj等。趣幾個及主要碑的參衣數(shù)介肯紹如堡下：(1過)最大擾整流殼電流IF—周—二極嶼管長腿期連抖續(xù)工作時虎，允乖許通概過二極管硬的最捷大整貨流電流檔的平恨均值平。(2摟)反向盈擊穿粘電壓VBR鳥——和最四大反壘向工能作電閥壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實(shí)際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。436.蔽3.史3二極跡管的晨主要罪參數(shù)(4蛇)正向敬壓降VF(5媽)動態(tài)微電阻rd在室形溫下粒，在恭規(guī)定片的反研向電委壓下霸，一攜般是巧最大沫反向侍工作荒電壓忽下的凡反向裁電流齊值。屠硅二平極管捏的反言向電著流一究般在慮納安(nA)級；手鍺二扇極管雁在微聽安(A)級。在規(guī)被定的寺正向擇電流陳下，浴二極幣管的隆正向隱電壓部降。溝小電矮流硅仙二極皮管的津正向菜壓降喬在中炭等電碗流水拳平下遍，約0.像6～0.睡8V；鍺二殘極管薯約0.群2～0.遭3V。反映爹了二壟極管摩正向算特性葛曲線斧斜率琴的倒桌數(shù)。爭顯然較，rd與工捐作電奔流的淺大小反有關(guān)資，即rd=VF/IF(3工)反向停電流IR44半導(dǎo)用體二時極管挖圖片456.葬4二極辮管電戚路分賤析方龍法6.特4.嫂1圖解授分析旋方法6.滅4.硬2簡化緞模型僚分析解方法466.返4.句1圖解屢分析換方法二極壯管是單一種挺非線冶性器勿件，纖因而淋其電竿路一勞般要攜采用撓非線銅性電雜路的瘋分析繼方法孔，相姐對來艦說比肯較復(fù)碧雜，夸而圖文解分剩析法大則較斥簡單植，但孫前提受條件碧是已朵知二陽極管狗的V-I特性倘曲線云。47例1電路芽如圖柱所示垮，已席知二泄極管味的V-I特性肺曲線凈、電棚源VDD和電菜阻R，求二謀極管賄兩端死電壓vD和流炊過二罪極管限的電僻流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一唯條斜渴率為-1使/R的直腫線，想稱為負(fù)載隔線Q的坐壺標(biāo)值茫（VD，ID）即為恭所求既。Q點(diǎn)稱水為電泛路的工作槐點(diǎn)486.筆4.易2二極嶄管電恥路的胃簡化僵模型矮分析串方法1.二極臣管V-I特性偷的建叢模將指數(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）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型496.純4.針2二極窮管電筍路的嘆簡化像模型嚼分析翼方法1.二極副管V-I特性水的建芝模（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506.該4.約2二極株管電宗路的李簡化介模型湖分析士方法1.二極邊管V-I特性攝的建弓模（4）小橫信號西模型vs=0時,Q點(diǎn)稱純?yōu)殪o杯態(tài)工嫁作點(diǎn)看，憤反映凳直流席時的圈工作孕狀態(tài)闖。vs=Vmsi返nt時（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附仇近小希范圍暢內(nèi)的V-觸I特性長線性經(jīng)化，望得到勻小信初號模發(fā)型，折即以Q點(diǎn)為創(chuàng)切點(diǎn)拋的一蘇條直幅線。516.愈4.例2二極車管電們路的拉簡化獵模型映分析漿方法1.二極豈管V-I特性鐮的建錦模（4）小糟信號耍模型過Q點(diǎn)的擠切線可以為等效藥成一輩個微潮變電預(yù)阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處陰的微趴變電統(tǒng)導(dǎo)則常溫前下（T=3踐00豎K）（a）V-I特性（b）電路模型526.忽4.爪2二極腔管電跪路的陜簡化商模型晌分析雙方法1.二極駐管V-I特性獵的建方模（4）小債信號棟模型

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536.克4.廈2二極淹管電旨路的針簡化步模型屑分析饅方法2．模曬型分巖析法沒應(yīng)用替舉例（1）整亡流電粉路（a）電爸路圖濕（b）vs和vo的波疼形542．模次型分晌析法盯應(yīng)用距舉例（2）靜或態(tài)工廚作情丹況分裳析理想撇模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時，恒壓都模型（硅二極管典型值）折線侵模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時，（自學(xué)）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法552．模晉型分悅析法紫應(yīng)用歪舉例（3）限轉(zhuǎn)幅電潛路電路純?nèi)鐖D鳳，R=競1k授Ω，VRE慚F=決3V，二極絮管為辱硅二倒極管帶。分貝別用奴理想香模型遺和恒嘉壓降疊模型唉求解爪，當(dāng)vI=肆6s明intV時，纏繪出輸相應(yīng)貼的輸醒出電咸壓vO的波帥形。562．模登型分銅析法遲應(yīng)用厘舉例（4）開紫關(guān)電扇路電路鄙如圖邊所示覺，求AO的電箱壓值解：孩先斷忌開D，以O(shè)為基辱準(zhǔn)電秋位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽極架的電匹位為-6泥V，接陰理極的中電位薯為-1塑2V。陽極具電位海高于臟陰極妙電位斑，D接入它時正紙向?qū)еā?dǎo)通賽后，D的壓撇降等毅于零吵，即A點(diǎn)的電巧位就掛是D陽極潑的電純位。倍所以助，AO的電辦壓值河為-6漆V。572．模泡型分國析法扒應(yīng)用慎舉例（6）小跟信號席工作泛情況林分析圖示嚼電路規(guī)中，VDD=椒5V，R=工