半導體二極管及其應用

Home2.1半導體基礎與PN結2.2半導體二極管及應用內容簡介小結2.3特殊半導體二極管2.半導體二極管及其應用

本章簡要地介紹半導體的基礎知識，討論半導體的核心環(huán)節(jié)—PN結，闡述了半導體二極管的工作原理、特性曲線和主要參數以及二極管基本電路和分析方法。Home內容簡介2.半導體二極管及其應用Home1.半導體材料根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

導體：ρ<10－4Ω·cm

絕緣體：ρ>109Ω·cm

半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間。

Next2.半導體的晶體結構典型的元素半導體有硅Si和鍺Ge，此外，還有化合物半導體砷化鎵GaAs等。2.1半導體基礎及PN結13.本征半導體

本征半導體：化學成分純凈、結構完整的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。

半導體的導電性能是由其原子結構決定的，就元素半導體硅和鍺而言，其原子序數分別為14和32，但它們有一個共同的特點：即原子最外層的電子（價電子）數均為4，其原子結構和晶體結構如圖2.1.1所示。Back2

：受溫度、光照等環(huán)境因素的影響，半導體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子的現象，稱之為本征激發(fā)（熱激發(fā)）（見圖2.1.2）。本征激發(fā)(熱激發(fā)）HomeNext2.1半導體基礎及PN結

電子空穴對：由本征激發(fā)（熱激發(fā)）而產生的自由電子和空穴總是成對出現的，稱為電子空穴對。所以，在本征半導體中：ni=pi

（ni－自由電子的濃度；pi－空穴的濃度）。

空穴：共價鍵中的空位。3

K1—常數，硅為3.8710-6K-3/2/cm3，鍺為1.7610-6K-3/2/cm3

；T—熱力學溫度；EGO—禁帶寬度，硅為1.21eV，鍺為0.785eV；k—波耳茲曼常數，8.6310-5eV/K。（e—單位電荷，eV=J）BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結

載流子：能夠參與導電的帶電粒子。

：如圖2.1.3所示。從圖中可以看出，空穴可以看成是一個帶正電的粒子，和自由電子一樣，可以在晶體中自由移動，在外加電場下，形成定向運動，從而產生電流。所以，在半導體中具有兩種載流子：自由電子和空穴。半導體中載流子的移動4

（1）兩種載流子的產生與復合，在一定溫度下達到動態(tài)平衡，則ni=pi的值一定；（2）ni與pi的值與溫度有關，對于硅材料，大約溫度每升高8oC，ni或pi增加一倍；對于鍺材料，大約溫度每升高12oC，ni或pi增加一倍。BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結4.雜質半導體

雜質半導體：在本征半導體中參入微量的雜質形成的半導體。根據參雜元素的性質，雜質半導體分為P型（空穴型）半導體和N型（電子型）半導體。由于參雜的影響，會使半導體的導電性能發(fā)生顯著的改變。

：在本征半導體中參入微量三價元素的雜質形成的半導體，其共價鍵結構如圖2.1.4所示。常用的三價元素的雜質有硼、銦等。P型半導體5BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結

受主雜質：因為三價元素的雜質在半導體中能夠接受電子，故稱之為受主雜質或P型雜質。

多子與少子：P型半導體在產生空穴的同時，并不產生新的自由電子，所以控制參雜的濃度，便可控制空穴的數量。在P型半導體中，空穴的濃度遠大于自由電子的濃度，稱之為多數載流子，簡稱多子；而自由電子為少數載流子，簡稱少子。

：既然P型半導體的多數載流子是空穴，少數載流子是自由電子，所以，P型半導體帶正電。此說法正確嗎？思考題6BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結

：在本征半導體中參入微量五價元素的雜質形成的半導體，其共價鍵結構如圖2.1.5所示。常用的五價元素的雜質有磷、砷和銻等。N型半導體

施主雜質：因為五價元素的雜質在半導體中能夠產生多余的電子，故稱之為施主雜質或N型雜質。在N型半導體中，自由電子為多數載流子，而空穴為少數載流子。7BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結

綜上所述，在雜質半導體中，因為參雜，載流子的數量比本征半導體有相當程度的增加，盡管參雜的含量很小，但對半導體的導電能力影響卻很大，使之成為提高半導體導電性能最有效的方法。

摻雜對本征半導體的導電性的影響，其典型數據如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

ni=pi=1.4×1010/cm3

摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

ni=5×1016/cm3

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。8BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結小結

本講主要介紹了下列半導體的基本概念：本征半導體本征激發(fā)、空穴、載流子雜質半導體

P型半導體和N型半導體受主雜質、施主雜質、多子、少子9BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結二.PN結的單向導電性

正偏與反偏：當外加電壓使PN結中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。一.PN結的形成在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成P型半導體和N型半導體。此時將在P型半導體和N型半導體的結合面上形成的物理過程示意圖如圖2.1.6所示。5.PN結

10BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結PN結加正向電壓

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流，PN結導通。其示意圖如圖2.1.7所示。112.PN結加反向電壓

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結截止。其示意圖如圖2.1.8所示。3.PN結的單向導電性

PN結加正向電壓（正偏）時導通；加反向電壓（反偏）時截止的特性，稱為PN結的單向導電性。BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結三.PN結的特性曲線

1.PN結的V-I特性表達式式中，IS—反向飽和電流；n

—發(fā)射系數，與PN結的的尺寸、材料等有關，其值為1~2；VT—溫度的電壓當量，且在常溫下（T=300K）:VT=kT/q=0.026V=26mV13BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結2.PN結的正向特性

死區(qū)電壓Vth硅材料為0.5V左右；鍺材料為0.1V左右。

導通電壓Von硅材料為0.6~0.7V左右；鍺材料為0.2~0.3V左右。Is=10-8AVT=26mVn=2死區(qū)電壓導通電壓圖2.1.9PN結的正向特性14BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結3.PN結的反向特性

反向電流：在一定溫度下，少子的濃度一定，當反向電壓達到一定值后，反向電流IR

即為反向飽和電流IS，基本保持不變。

反向電流受溫度的影響大。-IS圖2.1.10PN結的反向特性鍺管硅管15BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結4.PN結的反向擊穿特性

反向擊穿：當反向電壓達到一定數值時，反向電流急劇增加的現象稱為反向擊穿（電擊穿）。若不加限流措施，PN結將過熱而損壞，此稱為熱擊穿。電擊穿是可逆的，而熱擊穿是不可逆的，應該避免。圖2.1.11PN結的反向擊穿特性VBR16BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結

反向擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種類型。

雪崩擊穿：當反向電壓增加時，空間電荷區(qū)的電場隨之增強，使通過空間電荷區(qū)的電子和空穴獲得的能量增大，當它們與晶體中的原子發(fā)生碰撞時，足夠大的能量將導致碰撞電離。而新產生的電子-空穴對在電場的作用下，同樣會與晶體中的原子發(fā)生碰撞電離，再產生新的電子-空穴對，形成載流子的倍增效應。當反向電壓增加到一定數值時，這種情況就象發(fā)生雪崩一樣，載流子增加得多而快，使反向電流急劇增加，于是導致了PN結的雪崩擊穿。

齊納擊穿：齊納擊穿的機理與雪崩擊穿不同。在較高的反向電壓作用下，空間電荷區(qū)的電場變成強電場，有足夠的能力破壞共價鍵，使束縛在共價鍵中的電子掙脫束縛而形成電子-空穴對，造成載流子數目的急劇增加，從而導致了PN結的齊納擊穿。17BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結四.PN結的電容效應1.勢壘電容Cb圖2.1.12勢壘電容示意圖18PN結外加電壓變化，空間電荷區(qū)的寬度將隨之變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓增加或減少，呈現出電容充放電的性質，其等效的電容稱之為勢壘電容Cb。當PN結加反向電壓時，Cb明顯隨外加電壓變化，利用該特性可以制成各種變容二極管。BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結2.擴散電容Cd圖2.1.13擴散電容示意圖19PN結外加正向電壓變化，擴散區(qū)的非平衡少子的數量將隨之變化，擴散區(qū)內電荷的積累與釋放過程，呈現出電容充放電的性質，其等效的電容稱之為擴散電容Cd。

結電容Cj=Cb+Cd

反偏時，勢壘電容Cb為主；正偏時，擴散電容Cd為主。低頻時忽略，只有頻率較高時才考慮結電容的作用。BackHomeNext2.1半導體基礎及PN結小結

本講主要介紹了以下基本內容：

PN結形成：擴散、復合、空間電荷區(qū)（耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層、內建電場）、動態(tài)平衡

PN結的單向導電性：正偏導通、反偏截止

PN結的特性曲線：正向特性：死區(qū)電壓、導通電壓反向特性：反向飽和電流、溫度影響大擊穿特性：電擊穿（雪崩擊穿、齊納擊穿）、熱擊穿

PN結的電容效應：勢壘電容、擴散電容HomeBack202.1半導體基礎及PN結2.2半導體二極管11.半導體二極管的結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。一.點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

圖2.2.1二極管的結構示意圖HomeNext二.面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型圖2.2.1二極管的結構示意圖2BackHomeNext2.2半導體二極管三.平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(c)平面型圖2.2.1二極管的結構示意圖陰極引線陽極引線PNP型支持襯底3BackHomeNext2.2半導體二極管四.二極管的圖形符號圖2.2.2二極管的符號k陰極陽極a2.半導體二極管的V-I特性二極管的特性與PN結的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和擊穿特性。其差別在于二極管存在體電阻和引線電阻，在電流相同的情況下，其壓降大于PN結的壓降。在此不再贅述。4BackHomeNext2.2半導體二極管圖2.2.3半導體二極管圖片5BackHomeNext2.2半導體二極管3.半導體二極管的參數

(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VR(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)最高工作頻率fM圖2.2.4二極管的高頻等效道路6(6)結電容Cj

：如何用萬用表的“

”檔來辨別一只二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？思考題BackHomeNext2.2半導體二極管74.二極管的等效模型電路（1）理想模型圖2.2.5二極管的理想等效模型正偏時：uD=0,RD=0;反偏時：iD=0,RD=

。相當于一理想電子開關。BackHomeNext2.2半導體二極管（2）恒壓降模型

正偏時：uD=Uon,RD=0;

反偏時：iD=0,RD=

。相當于一理想電子開關和恒壓源的串聯(lián)。8BackHomeNext圖2.2.6二極管的恒壓降等效模型uD>Uon2.2半導體二極管（3）折線型模型

正偏時：uD=iDrD+UTH;

反偏時：iD=0,RD=

。相當于一理想電子開關、恒壓源和電阻的串聯(lián)。9BackHomeNext圖1.2.7二極管的折線型等效模型uD>UTH2.2半導體二極管（4）小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）圖2.2.8二極管的小信號等效模型10BackHomeNext2.2半導體二極管115.二極管基本電路及模型分析法（1）二極管的靜態(tài)工作情況分析ID+VD--R10K

+VDD—20VID+VD--R10K

+VDD—20VID+VD--R10K

+VDD—20V+Von—(a)原電路(b)理想模型電路(c)恒壓降模型電路圖2.2.9例1.2.1的電路圖解：（1）理想模型，VD=0，則（2）恒壓降模型，VD=0.7V，則例2.2.1

求圖2.2.9（a）所示電路的硅二極管電流ID和電壓VD。BackHomeNext2.2半導體二極管（2）二極管限幅電路解：請觀看仿真波形!ID+vo--R10K

+vi—20V圖2.2.10例1.2.2電路圖VREF

例2.2.2

如圖2.2.10所示電路。試畫出VREF分別為0、10V時的波形。其中vi=20sintV。（3）二極管開關電路

例2.2.3

如圖2.2.11所示電路。試求VI1、VI2為0和+5V時V0的值。R10K

V0Vcc+5V圖2.2.11例1.2.3電路圖VI1VI2D1D2000+5V000+5V+5V0+5V+5VV0VI1

VI2

12BackHomeNext2.2半導體二極管（1）穩(wěn)壓二極管的伏安特性

穩(wěn)定電壓VZ

穩(wěn)定電流IZ（IZmin、IZmin）

額定功耗PZM

動態(tài)電阻rZ

溫度系數

圖2.2.12穩(wěn)壓管的伏安特性2.3特殊半導體二極管131.穩(wěn)壓二極管（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數

利用二極管反向擊穿特性實現穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。其伏安特性如圖1.2.12所示。Back