模擬電子技術(shù)-二極管及其基本電路

1、,第三章 二極管及其基本電路,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.3 半導(dǎo)體二極管,3.4 二極管基本電路及其分析方法,3.5 特殊二極管,3.2 PN結(jié)的形成及特性,典型的半導(dǎo)體材料,元素硅（Si）、鍺（Ge） 化合物砷化鎵（GaAs） 摻雜元素 硼（B）、磷（P）,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，當(dāng)受外界光和熱刺激或加入微量摻雜,導(dǎo)電能力顯著增加。,半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)，鄰近原子之間由共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)。,本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈（99.99999）的半導(dǎo)體單晶體。須在單晶爐中提煉得到。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài), 絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)電子無(wú)法掙脫本身原子核束

2、縛，此時(shí)本征半導(dǎo)體呈現(xiàn)絕緣體特性。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制： 本征激發(fā)外電場(chǎng)使自由電子導(dǎo)電,動(dòng)畫演示：,本征激發(fā),在室溫下，熱激發(fā)或光照使價(jià)電子獲得掙脫共價(jià)鍵束縛的能量，成為 自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特點(diǎn)。 自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱為電子空穴對(duì)。 自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。,外電場(chǎng)使自由電子導(dǎo)電,出現(xiàn)空穴后，在外加電場(chǎng)作用下，共價(jià)鍵中的價(jià)電子就較易填補(bǔ)到這個(gè)空位上，過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，相當(dāng)于空穴在晶體中移動(dòng)（電荷遷移）?？昭ǖ囊苿?dòng)方向和電子移動(dòng)方向是相反的,因而可用空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流來(lái)代表束縛電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 自由電子受原子核的吸引還可能

3、重新回到共價(jià)鍵中，稱為復(fù)合。在一定溫度下，電子空穴對(duì)的熱激發(fā)與復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電子空穴對(duì)維持一定的濃度。,雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體：為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，人為摻入某 些微量的有用元素作為雜質(zhì)，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在提煉單 晶的過(guò)程中一起完成。摻雜是為了顯著改變半導(dǎo)體中的自 由電子濃度或空穴濃度，以明顯提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。 三價(jià)元素?fù)诫sP 型半導(dǎo)體 五價(jià)元素?fù)诫sN 型半導(dǎo)體,P 型半導(dǎo)體,在產(chǎn)生空穴的同時(shí)并不產(chǎn)生自由電子,P 型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入微量硼、銦等三價(jià)元素。由于摻入量極微，所以硅的原子結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些硅原子被雜質(zhì)替代了。該原子除外層的三個(gè)電子與相鄰四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)

4、構(gòu)外，還缺一個(gè)電子，留下一個(gè)空穴。所以，摻雜后的空穴數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的空穴數(shù)。因此，摻入三價(jià)元素后半導(dǎo)體中的空穴為多子，它主要由摻雜形成；電子為少子，它仍由熱激發(fā)形成。稱空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子受熱振動(dòng)或在其他激發(fā)條件下獲得能量時(shí)，就有可能填補(bǔ)這個(gè)空位，使硼原子成為不能移動(dòng)的負(fù)離子，因?yàn)榕鹪釉诠杈w中能接受電子，故硼為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)。,N 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入磷、砷等五價(jià)元素。由于摻入量極微，所以硅的原子結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些硅原子被雜質(zhì)替代了。該原子除外層的四個(gè)電子與相鄰四個(gè)硅原子組成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)外，仍多出一個(gè)電子，所以，摻雜

5、后的電子數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的電子數(shù)。因此，摻雜后半導(dǎo)體中電子為多子，主要由摻雜形成，空穴為少子，仍由熱激發(fā)形成。稱電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。多余的價(jià)電子易受熱激發(fā)而掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，磷原子成為正離子，磷、砷等稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)。,半導(dǎo)體材料本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體摻雜,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制自由電子、空穴,多數(shù)載流子（多子）、少數(shù)載流子（少子）,本節(jié)中的有關(guān)概念,摻雜半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,小結(jié),P型半導(dǎo)體中含有受主雜質(zhì)，在室溫下，受主雜質(zhì)電離為帶正電的空穴和帶負(fù)電的受主離子。 N型半導(dǎo)體中含有施主雜質(zhì)，在室溫下，施主雜質(zhì)電離為帶負(fù)電的電子和帶正電的施主離子。 半導(dǎo)體的正

6、負(fù)電荷數(shù)是相等的,他們的作用互相抵消,因此保持電中性。 摻雜產(chǎn)生的是多子，本征激發(fā)產(chǎn)生的是少子。,3.2 PN結(jié)的形成及特性,3.2.2 PN結(jié)的形成,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)*,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,漂移運(yùn)動(dòng)： 在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,（1）兩邊的濃度差引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) （2）復(fù)合形成內(nèi)電場(chǎng)：阻擋擴(kuò)散，促使漂移 （3）擴(kuò)散和漂移動(dòng)態(tài)平衡：PN結(jié)（空間電荷區(qū)、耗盡層、勢(shì)壘區(qū)）,3.2.2 PN結(jié)的形成,動(dòng)

7、畫演示,補(bǔ)充： PN結(jié),一、 PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,動(dòng)畫演示,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,1、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（

8、都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,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,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。平衡 PN 結(jié)中擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等而方向相反，所以外觀 PN 結(jié)中沒(méi)有電流。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,小 結(jié),外加電壓才顯示出來(lái) 外加正向電壓： P 區(qū)接電源正極，或使 P 區(qū)的電位高于N 區(qū)。P() N() 外加反向電壓 ： N 區(qū)接電源正極，或使得 N 區(qū)的電位高于 P 區(qū)。P() N(),3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?動(dòng)畫演示,PN結(jié)加正向偏置電壓（正偏）,當(dāng)外加電壓升高，PN結(jié)電場(chǎng)便進(jìn)一步

9、減弱，擴(kuò)散電流隨之增加，在正常范圍內(nèi)，PN結(jié)上外加電壓只要稍有變化(如0.1V),便能引起電流的顯著變化,急速上升。正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)阻值很小的電阻。,PN結(jié)加反向偏置電壓（反偏）,由于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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)正偏時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻； PN結(jié)導(dǎo)通 PN結(jié)反偏時(shí)，僅有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻。 PN結(jié)截止 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，定性說(shuō)法。,PN結(jié)的伏安特性，定量表述-以硅二極管的PN結(jié)為例,其中,IS 反向飽和電流,VT 溫度的電壓當(dāng)量,常溫下（T=300K）,vDPN結(jié)外加電壓,3.2.4 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(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,PN結(jié)