[课件资料]半导体二极管9-28

第三章半导体二极管及其基本电路,3.1半导体的基本知识,3.3半导体二极管,3.4二极管基本电路及其分析方法,3.5特殊二极管,3.2PN结的形成及特性,3.1半导体的基本知识,3.1.1半导体材料,3.1.2半导体的共价键结构,3.1.3本征半导体,3.1.4杂质半导体,导体(conductor)：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体(semiconductor)：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体(insulator)：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，典型的有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。,3.1.1半导体的材料,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,3.1.1半导体的材料,3.1.1半导体的材料,3.1.2半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,3.1.2半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,T=0K和没有外界激发时，共价键内的电子被束缚，不能成为载流子；,常温下，共价键对电子的束缚不象绝缘体中束缚的那么紧；,电子空穴对,在室温（300K）下,被束缚的价电子获得足够能量挣脱共价键,成为自由电子本征激发；,价电子走后剩下的空位空穴,载流子,此时外加电压，本征半导体内将有电流流过，但导电能力远不如良好导体；,硅材料的原子密度为51022/cm3，本征激发自由电子浓度ni1.451010/cm3;,即室温下，每3.451012个原子中只有一个价电子成为自由电子。,1.载流子自由电子,3.1.3本征半导体,空穴的移动,2.载流子空穴,电子挣脱共价键束缚成为自由电子，共价键中留下一个空位,带一个正电,叫做空穴；,在外电场的作用下，附近的价电子被吸引填补空穴，同时又会产生一个新的空穴；,似乎空穴也能”移动”,但其移动的方向与电子相反;且空穴带正电；,空穴是载流子,本征半导体内,自由电子和空穴总是成对出现的;任何时候都有ni=pi,空穴,3.1.3本征半导体,3.载流子的产生与复合,共价键,获得热能,以一定速率产生,自由电子,空穴,温度愈高,产生率愈高,自由电子,空穴,以一定速率,相遇,结合成新共价键,浓度愈高,载流子数目愈高,复合率愈高,结论:一定的温度下,载流子的复合率等于产生率,达到动态平衡,浓度越高，导电能力越高；即本征半导体的导电率随温度的增加而增加；,3.1.3本征半导体,3.1.3本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,本征激发热激发,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,3.1.4杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。其中分为P型和N型,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1.P型半导体,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,3价硼原子,相邻共价键上的电子获得能量，就有可能填补空位,使硼原子成了不能移动的负离子（得到一个电子）,留下了可移动的空穴,NA（硼原子浓度）+n（少子浓度）=p（多子浓度）,硼原子称为受主原子,3.1.4杂质半导体,2.N型半导体,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,5价磷原子,获得能量，易挣脱原子核的束缚成为自由电子,ND（磷原子浓度）+p（少子浓度）=n（多子浓度）,留下一个固定的、不能移动的正离子,磷原子称为施主原子,3.1.4杂质半导体,3.杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上两个浓度基本上相差106/cm3。,3.2PN结的形成及特性,3.2.1PN结的形成,3.2.2PN结的单向导电性,3.2.3PN结的反向击穿,3.2.4PN结的电容效应,热能的激发,半导体内的载流子将作随机的无定向运动,载流子在任意方向的平均速度为零,若有电场加到半导体上,内部载流子将受电场力做定向移动;空穴的移动方向与电场方向相同，自由电子的移动方向与电场方向相反,由于电场作用导致载流子的运动称为漂移,漂移,3.2.1PN结的形成,基于载流子的浓度差异和随机热运动,载流子由浓度高区域向浓度低的区域扩散,形成电流【扩散电流】.,扩散,3.2.1PN结的形成,PN结的形成,P区,N区,3.2.1PN结的形成,多数载流子向对方区域进行扩散,3.2.1PN结的形成,多数载流子向对方区域进行扩散并复合掉,扩散结果使交界处的电中性遭到破坏,仅剩下不能移动带电杂质离子;称为空间电荷区,又称耗尽区或PN结；,空间电荷区(PN结/耗尽区),漂移使得PN结变窄,扩散使得PN结变宽,内电场,扩散运动与漂移运动互相联系又互相对立,当达到动态平衡时PN结的宽度确定,阻止多子扩散,使少子漂移,3.2.1PN结的形成,3.2.1PN结的形成,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结中离子不参与导电。在空间电荷区，由于空穴和电子的复合，缺少了载流子，所以也称耗尽层。,3.2.1PN结的形成,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区(PN结/耗尽区),P型区,N型区,内电场E0,势垒电位,V0,电位,0,x,势垒区,3.2.1PN结的形成,内电场E0,P型,N型,外电场EF,总电场E=E0-EF,PN结平衡状态被打破,有利于多子扩散,多子进入PN结,中和了PN结内的带电离子,PN结区空间电荷量减少,PN结变薄,有利于多子的扩散运动，形成扩散电流，此时扩散电流大、漂移电流很小而忽略，因此电流由扩散电流决定。,PN结(PNjunction)正向偏置,电流称为正向电流，PN结阻值小。称为PN结导通。,3.2.2PN结的单向导电性,PN结加正向偏置,PN结(PNjunction)反向偏置,内电场E0,P型,N型,外电场ER,总电场E=E0+ER,PN结平衡状态被打破,阻碍了多子扩散,耗尽区厚度加宽,扩散运动被抑制,扩散电流趋近于零。漂移运动被加强,PN结表现为阻值极大的电阻,认为PN结截止,反向电流是由少子漂移形成,而少子由本征热激发产生,故浓度很低,反向电流很小,A级。该电流也称为反向饱和电流.,3.2.2PN结的单向导电性,PN结加反向偏置,温度的电压当量,硅二极管PN结的V-I特性,正向偏置特性,反向偏置特性,发射系数,与尺寸/材料及电流有关,PN结V-I特性,PN结两端外加电压,玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K),热力学温度,电子电荷(1.610-19C),常温下为26mV,反向饱和电流,3.2.2PN结的单向导电性,如果加到PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，称为PN结的反向击穿；,PN结的反向击穿,反向击穿电压,3.2.3PN结的反向击穿,电击穿(可逆)热击穿(不可逆),击穿,雪崩击穿(avalanchebreakdown):碰撞,载流子倍增效应。,齐纳击穿(zenerbreakdown):局部电场增强,分离,整流二极管（多数）,稳压二极管（多数）,VBR反向击穿电压,击穿后的反向电流急剧增大,易使PN结发热,升温从而烧毁PN结,3.2.3PN结的反向击穿,PN结的两种电容效应：扩散电容CD和势垒电容CB,PN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（N区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域,PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能,1.扩散电容,3.2.4PN结的电容效应,PN结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略。,1.扩散电容,3.2.4PN结的电容效应,PN结正向偏置电压越大，存储的电荷越多，扩散电容越大。,扩散后的载流子分布,势垒区是积累空间电荷的区域，当反向偏置电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,2.势垒电容,类似于平板电容器两极板上电荷的变化,3.2.4PN结的电容效应,PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑PN结电容的影响,PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）,3.2.4PN结的电容效应,3.3半导体二极管,3.3.1半导体二极管的结构,3.3.2二极管的伏安特性,3.3.3二极管的参数,半导体二极管图片,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,(a)点接触型,二极管的结构示意图,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3.3.1半导体二极管的结构,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,3.3.1半导体二极管的结构,(3)平面型二极管,(c)平面型,(4)二极管的代表符号(symbol),anodecathode,往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,3.3.1半导体二极管的结构,正向压降变化范围不大,近似等于常数;Si0.7V;Ge0.2V,少数载流子的漂移形成反向饱和电流,一般硅管远小于锗管.该电流对温度非常敏感.,硅二极管2CP10的V-I特性,锗二极管2AP15的V-I特性,正向特性,正向电压不大,电流相对很大。,Vth:门坎电压/死区电压,正向压降,正向压降,反向特性,反向击穿特性,Si0.5V;Ge0.1V,3.3.2二极管的伏安特性,3.3.3二极管的参数,1.最大整流电流IF,二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。,3.反向电流IR,指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。,4.二极管的极间电容（parasiticcapacitance）,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和扩散电容(diffusioncapacitance)CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,3.3.3二极管的参数,4.二极管的极间电容,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的电子在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,势垒电容CB在高频和反向偏置时明显。扩散电容CD在正向偏置时明显。,3.3.3二极管的参数,5.微变电阻rD,vD,rd是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,3.3.3二极管的参数,3.3.3二极管的参数,6.反向恢复时间TRR,反向恢复时间的存在主要原因是扩散电容CD的影响。,正偏时，扩散电流提升；导致PN结两旁空穴（N区）和电子（P区）分布多；外加电源反偏后，漂移电流提升；此时积累的载流子（少子）数量多，反向电流较大。逐渐将积累的载流子消散，反向电流恢复稳定，且较小。,3.3.3二极管的参数,6.反向恢复时间TRR,3.4二极管基本电路及其分析方法,3.4.1简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,理想二极管V-I特性,理想二极管代表符号,正向压降为0,反向电阻为无穷大,正向偏置电路模型,反向偏置电路模型,应用条件:实际的电路中,当电源电压远大于二极管的管压降时,可以利用理想模型进行近似分析.,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,1.理想模型（idealdiode),恒压降模型V-I特性,正向压降为恒定值,反向电阻为无穷大,电路模型,该模型提供了更合理的近似,应用较广泛.,应用条件:流过二极管电流iD近似等于或大于1mA时.,Si0.7V;Ge0.2V,2.恒压降模型（offsetmodel),3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,3.折线模型(piecewiselineardiodemodel),正向压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来近似。rD近似为200。,Vth0.5V,折线模型V-I特性,反向电阻为无穷大,电路模型,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,此时电路中只有直流量,即电路处于直流工作状态,也称静态,Q点称为静态工作点.,此时电路中除了直流量,还有交流量作用的结果;工作点沿V-I特性曲线,在Q附近小范围内变化,可把二极管V-I特性曲线近似为一条线性直线处理.,4.小信号模型(smallsignalmodel),3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,4.小信号模型(smallsignalmodel),当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。小信号模型的微变等效电阻rd26（mv）/ID。,vD,iD,vD,iD,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,应用举例,1.整流电路,二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大,vs,（P78例题）,2.二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,求ID，VD,应用举例,3.限幅电路,有一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解以下两问：（）vI=0V、4V、6V时，求相应的输出电压vO的值；（）当vI=sint(V)时，绘出相应的输出电压波形,应用举例,理想模型,恒压降模型,4.开关电路,&,5.低电压稳压电路,应用举例,6.小信号工作情况分析,用恒压降模型，求vD。,vi=0.1sintV,VDD=5V，,叠加原理,应用举例,3.5特殊体二极管,3.5.1齐纳二极管,3.5.2变容二极管,3.5.4光电子器件,1.光电二