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第2章半导体二极管及其应用电路 本章重点内容PN结及其单向导电特性半导体二极管的伏安特性曲线二极管基本电路及其分析方法二极管在实际中的应用 2 1 1半导体材料物质按导电能力分 导体 半导体 绝缘体 导电能力的衡量 电阻率 按定义 式中 l是材料的长度 S是截面积 导体 半导体 绝缘体 图2 1导电材料 2 1半导体的基本知识 常用的半导体材料 锗 ze 硅 Si 砷化镓 GaAs 关系是 冷却加热 热敏特性 遮光光照 光敏特性 提纯掺杂 掺杂特性 半导体的特点 导电能力随外界条件的改变有较大变化 也可用电导率 来衡量材料的导电性 它与电阻率 的 半导体二极管 三极管 就是利用掺杂特性来制造的 物质要导电 其内部必须有运载电荷的粒子 这种粒子称为载流子 导电能力最终决定于 1 载流子的多少 2 载流子的性质 3 载流子的运动速度 2 1 2本征半导体 空穴及其导电作用 本征半导体是指 纯净 的半导体单晶体 在常温下 它有微弱的导电能力 其中载流子是由本征热激发产生的 本征半导体 如图2 2所示为半导体硅 Si 和锗 Ge 的原子结构 最外层4个价电子 图2 2四价元素硅和锗的原子结构 如图2 3所示 半导体单晶体内原子与原子之间的结合力 称为共价键 价电子最有可能成为载流子 但它束缚于共价键之中 只有热运动使价电子获得能量 足以冲破共价键的束缚时它才可能成为自由电子 参加运载电荷 我们把这一过程称为本征激发 自由电子是带负电的载流子 图2 3共价键结构示意图 空穴 根据图2 4 当价电子变为自由电子时 必然留下一个空位 使其它价电子也有可能参加导电 我们称空位为空穴 空穴也是一种载流子 但带正电荷 总之 本征激发将产生两种类型的载流子 即自由电子与空穴 常称为 电子 空穴对 本征半导体中自由电子和空穴是成对出现 数目相等 一个萝卜一个坑 图2 4本征激发 图2 5表示在外电场作用下 空穴的导电过程 图中小圆圈表示空穴 实心小黑圆点表示价电子 E是外电场方向 Ip就是空穴电流方向 由图2 5可见 空穴的导电过程 实际上是价电子在电场作用下 不断递补空位的过程 图2 5空穴导电过程 自由电子与空穴在运动过程中相遇 自由电子填补空位导致 电子 空穴对 消失 这一过程称为复合 可见 复合是激发的反过程 在同样温度下 本征锗的导电率大于本征锗硅 同时 温度愈高 本征激发产生的载流子数目愈多 导电性能也就愈好 所以温度对半导体器件性能的影响很大 最终造成晶体管热稳定性的恶化 注意 与原子密度相比 本征载流子浓度仍然极小 所以本征半导体的导电能力是很差的 2 1 3杂质半导体 在本征半导体中 掺入即使是极微量的其他元素 统称为杂质 其导电性能将大大增强 例如掺入0 0001 杂质 半导体导电能力将提高106倍 尽管杂质含量很微 但它们对半导体的导电能力却有很大的影响 因而对半导体掺杂是提高半导体导电能力的最有效的方法 在纯净半导体单晶中用人工的方法掺入少量特种元素 就获得杂质半导体 晶体管就是由杂质半导体制成的 1 两种类型的杂质目前掺入半导体材料中的常用杂质分两类 五价元素磷 P 锑 Sb 砷 As 三价元素硼 B 铝 Al 铟 In 镓 Ga 我们发现 除了本征激发能产生载流子 掺杂质也能产生载流子 但并不成对出现 三价元素称为受主杂质 意即 接受价电子 掺入五价元素 能获得大量电子 掺入三价元素 能获得大量空穴 所以五价元素称为施主杂质 意即 给出电子 本征半导体 五价元素 N型半导体N negative 本征半导体 三价元素 P型半导体P positive 参阅图2 6 本征半导体掺入五价元素后 四价的半导体原子被杂质原子代替 2 N型半导体 为什么在本征半导体中掺入五价元素 会产生大量自由电子 图2 6施主杂质 可见 每掺入一个五价的杂质原子 就会释放一个自由电子 故称五价杂质为 施主型杂质 五价元素最外层有5个价电子 其中4个用来与周围原子结合成共价键 多余的一个 因不在共价键中 所受束缚很小 常温下 即可脱离原子束搏成为自由电子 需要指出 施主原子失去一个价电子后 自己成为带正电荷的离子 这称为 杂质电离 杂质离子束缚于共价键之中不能自由移动 故不参加导电 施主杂质仅施放电子 不产生空穴 因为4个共价键中所有8个位子被价电子填满没有空位 3 P型半导体 掺入三价元素时 因为三价元素最外层只有三个价电子 要结合成四对共价键时 少一个价电子 必然出现一个空位 使半导体具备空穴导电的条件 需要指出 受主杂质仅产生空穴 不释放自由电子 图2 7受主杂质 总之 N型半导体中 自由电子数目大大增加 其浓度远大于空穴浓度 故电子为多数载流子 多子 空穴是少数载流子 少子 P型半导体中 空穴浓度远大于电子浓度 把空穴称为多数载流子 多子 而电子是少数载流子 少子 少数载流子与多数载流子相比数量微乎其微 杂质半导体主要依靠多数载流子导电 最后说明几点 本征半导体是电中性的 宏观上讲不带电荷 杂质本身也 在常温下 杂质电离产生的载流子远多于热激发产生的载 是电中性的 所以整块杂质半导体也是电中性的 不带电荷 若施主杂质与受主杂质同时掺入一块半导体 其材料性质 将由浓度大的那种杂质决定 这一原理称为杂质补偿 流子 材料的性质由杂质决定 但当温度很高时 热激发大大加剧 电子 空穴对 大大增加 一旦 电子 空穴对 浓度超过杂质浓度 杂质半导体中某种载流子占绝对优势的情况就会改变 于是半导体的性质变得与本征半导体一样 晶体管便会失效 高温是半导体的杀手 硅管失效温度比锗管高 5 载流子的运动载流子的运动形式有两种 漂移运动与扩散运动 漂移运动载流子在外电场作用下的运动称为漂移运动 由此引起的电流称为漂移电流 硅管最高工作温度可达150 200 而锗管仅70 100 漂移速度v与外电场强度成正比 式中比例系数 称为 迁移率 单位 迁移率 在数值上等于单位电场作用下 载流子的平均漂移速度 它将影响半导体器件的高频特性 锗半导体内载流子的 比硅大 所以锗管工作频率比硅高 对于同样半导体材料 电子的迁移率 n比空穴的迁移率 p大 扩散运动 半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动称为载流子的扩散运动 图2 9扩散运动 如图15 9 a 所示 半导体左端空穴浓度大于右端 空穴浓度分布如图15 9 b 所示 空穴将从浓度高的向浓度低的方向扩散 形成扩散电流IP 浓度差越大 扩散电流越大 2 2PN结的形成及特性 2 2 1PN结的形成 PN结是用杂质补偿的原理制造的 如果在一块半导体单晶中同时掺入三价元素与五价元素 其杂质浓度如图2 10 b 所示 在x0处施主杂质浓度与受主杂质浓度相等 该中性边界便是PN结的中心 图2 10PN结 P型半导体中空穴浓度很大 N型半导体中空穴浓度很小 由于浓度差 空穴将从P区扩散到N区 同理电子将从N区扩散到P区 如图2 11 a 所示 图2 11PN结的形成 a b 空穴扩散到N区时会在原P区留下不能移动的带负电荷的受主杂质离子 而电子扩散会在原N区留下不能移动的施主杂质离子 结果在边界两边便形成一个很薄的空间电荷区 这就是所谓的PN结 如图2 11 b 所示 在这个区域内 多数载流子已扩散到对方并复合掉了 或者说消耗尽了 因此空间电荷区有时又称为耗尽区 耗尽层 它的电阻率很高 扩散越强 空间电荷区越宽 PN结 空间电荷区 形成后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区中形成一个电场 称为内电场 内电场的出现 引起两个后果 阻止多数载流子的继续扩散 故空间电荷区又称为阻层 引起少数载流子的漂移 漂移运动的结果是使空间电荷区变窄 其作用正好与扩散运动相反 空间电荷区形成后 流过PN结的电流有两种 多数载流子形成的扩散电流 少数载流子形成的漂移电流 这两种电流方向相反 如图2 12 a 所示 流过PN结的净电流 图2 12 b 扩散运动与漂移运动达到平衡 1 多数载流子扩散运动的方向 2 少数载流子漂移运动的方向 起初 内建电场较弱 随着内建电场逐渐增强 I扩减小 而I漂增加 直至 扩散运动与漂移运动达到动态平衡 流过PN结的净电流为零 即I 0 2 2 2PN结的单向导电性 PN结的基本特性 单项导电性只有在外加电压时才显示出来 1 外加正向电压 即外电压V的正端接P 负端接N 如图2 13 a 所示 外电场部分抵消内电场 PN结的平衡态被打破 空间电荷区宽度变窄 结果扩散电流大大增加 如图2 13所示 结果电流平衡局面被打破 流过PN结的净电流 F 这就是加正向电压时 流过PN结的正向电流 它是在正向偏压作用下由多数载流子的扩散引起的 其中包括P区向N区的空穴扩散电流以及N区向P区的电子扩散电流 2 外加反向电压 外电压V的负端接P 正端接N 如图2 14 a 所示 图2 14反向偏压 外电场增强内电场 势垒高度提高到 VB V 空间电荷区电流平衡被打破 多数载流子的扩散更加困难 扩散电流很快减少 在不大的反向电压下就使 于是反向电流 R 由于漂移电流是少数载流子的漂移形成的 其值极小 决定于热激发产生的少数载流子浓度 在一定温度下它是一个常数 于是 令此常数用符号 IS 表示 即 称为反向饱和电流 必须指出 环境温度愈高 少数载流子数量越多 所以温度对IS影响很大 3 PN结的伏安特性表达式 式中 s为反向饱和电流 对于分立器件 其典型值约在10 8 10 14A的范围内 VD为PN结两端的外加电压 VT kT q为热电压 T 300K时 VT 26mV 1 当PN结加正向电压时 VD 0 且VD VT时 s exp V VT 伏安特性呈非线性指数规律 2 当PN结加反向电压时 VD 0 且 V VT时 s 0 电流基本与V无关 可见 PN结确实表现为单向导电性 2 2 3PN结的反向击穿 当PN结反向电压增大到一定值时 反向电流随电压的增加而急剧增大 产生PN结电击穿的原因 在强电场作用下 大大增加了自由电子和空穴的数目 从而引起了反向电流的急剧增加 称为PN结的反向击穿 热击穿 这种现象的产生可以分为雪崩击穿 AvalancheMultiplication 和齐纳击穿 ZenerBreakdown VBR vD iD 0 图2 15PN结的击穿 a 雪崩击穿 当反向电压增大到某一数值后 载流子的倍增情况就下就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样 载流子增加的多而且快 使反向电流急剧增大 于是PN结就发生雪崩击穿 应用 整流二极管 b 齐纳击穿 在加有较高的反向电压下 PN结空间电荷区中存在一个强电场 它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子 空穴对 形成较大的反向电流 应用 稳压管 齐纳二极管 电击穿可逆 为人们所利用 而热击穿必须尽量避免 2 3半导体二极管 2 3 1半导体二极管的结构 图2 16半导体二极管的结构及符号 将PN结加上相应的电极引线和管壳 就成为半导体二极管 按结构分 二极管有点接触型和面接触型两类 点接触型二极管 一般为锗管 如图2 16 a 所示 它的PN结结面积很小 结电容小 因此不能通过较大电流 但其高频性能好 故一般适用于高频和小功率的工作 也用作数字电路中的开关元件 面接触型二极管 一般为硅管 如图2 16 b 所示 它的PN结结面积较大 结电容大 故可通过较大电流 可达上千安培 但其工作频率较低 一般用作整流 图2 16 c 是二极管的表示符号 二极管材料 硅 锗 砷化镓 非常用 二极管用途 整流 检波 稳压 开关 变容 2 3 2二极管的伏安特性 实际二极管伏安特性 如图2 17所示 与PN结的伏安特性基本相同 有如下特点 1 正向特性正向电压较小时 存在死区电压又称门坎电压 导通电压 由图2 17可见 当外加正向电压很小时 由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子 除少量能量较大者外 扩散运动的阻力 故正向电流很小 几乎为零 当正向电压超过一定数值后 内电场被大大削弱 电流增长很快 这个一定数值的正向电压就是死区电压 其大小与材料及环境温度有关 通常 硅管的死区电压约为0 5V 锗管约为0 1V 图2 17硅二极管的伏安特性 2 反向特性 1 形成电流靠载流子的少子 两个区中的少子 由于少子数目很少 所以反向电流很小 2 温度升高时 由于少数载流子增加 反向电流将随之急剧增加 3 反向击穿特性当增加反向电压时 因在一定温度条件下 少数载流子数目有限 故起始一段反向电流没有多大变化 当反向电压增加到一定大小时 反向电流剧增 这叫做二极管的反向击穿 和PN结击穿相同 击穿电压用VBR表示 2 3 3二极管的参数1 最大整流电流 F 是指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 反向击穿电压VBR 指管子反向击穿时的电压值 通常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 R 指管子未被击穿时的反向电流 其值越小 则管子的单向导电性越好 其值会随温度剧增 使用时注意温度影响 4 极间电容 a 势垒电容CB是用来描述势垒取得空间电荷随电压变化而产生的电容效应的 b 扩散电容CD它反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中的积累的情况 2 4二极管基本电路及其分析方法 2 4 1二极管正向V 特性的建模1 理想模型在正向偏置时 其管压降为0V 而在反向偏置时 认为电阻无穷大 图2 18理想模型 二极管导通后 其管压降认为是恒定的 且不随电流而变化 典型值是硅管UD 0 7V 锗管UD 0 2V 不过 这只有当二极管的电流Id近似等于或大于1mA时才是正确的 图2 19恒压降模型 2 恒压降模型 3 折线模型二极管的管压降不是恒定的 而是随着通过二极管电流的增加而增加 对硅管 Vth约为0 5V 由于二极管特写的分散性 Vth和rD的值不是固定不变的 图2 20折线模型 4 小信号模型 图2 21折线模型 2 4 2二极管应用1 限幅电路在电子技术中 常用限幅电路对各种信号进行处理 它是用来让信号在预置的电平范围内 有选择地传输一部分 见例题 2 开关电路在开关电路中 利用二极管的单向导电性以接通或断开电路 在分析这种电路时 应掌握一条基本原则 即判断电路中二极管处于导 通状态还是截止状态 可以先将二极管断开 然后观察 或经过计算 阳 阴两极间是正向电压还是反向电压 若是前者则二极管导通 否则二极管截止 见例题 3 低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分 利用二极管正向压降基本恒定的特点 可以构成低电压稳压电路 见例题 2 5特殊二极管 1 齐纳二极管 稳压管 2 变容二极管3 光电子器件a 光电二极管b 发光二极管c 激光二极管4 恒流二极管5 肖特基二极管肖特基二极管的特点 开关时间快 没有阻挡层内载流子扩散运动 工作频率高 开关电流大 正向压降较低 0 4 0 5V 作用肖特基 Schottky 二极管也称肖特基势垒二极管 简称SBD 它是一种低功耗 超高速半导体器件 广泛应用于开关电源 变频器 驱动器等电路 作高频 低压 大电流整流二极管 续流二极管 保护二极管使用 或在微波通信等电路中作整流二极管 小信号检波二极管使用 2 6例题讲解 例2 1 设简单二极管基本电路如图 a 所示 R 10k 图 b 是它的习惯画法 对于下列两种情况 求电路的 D和VD的值 1 VDD 10V 2 VDD 1V 在每种情况下 应用理想模型恒压降模型和折线模型求解 解 1 VDD 10Va 使用理想模型得 b 使用恒压降模型得 c 使用折线模型得 2 VDD 1Va 使用理想模型 b 使用恒压降模型 c 使用折线模型 例2 2 如图所示是一个简单的并联稳压电路 R为限流电阻 求R上的电压值VR和电流值 R 10V 解 假定输入电压VZ在 7 10V 内变化 2 当 1 当 Return 例2 3 一二极管开关电路如图所示 当V 1和V 2为0V或5V时 求V 1和V 2的值不同组合情况下 输出电压 0的值 设二极管是理想的 0 解 1 当V 1 0V V 2 5V时 D1为正向偏置 V0 0V 此时D2的阴极电位为5V 阳极为0V 处于反向偏置 故D2截止 2 以此类推 将V 1和V 2的其余三种组合及输出电压列于下表 Return 例2 4 在如图所示的低电压稳压电路中 直流电源电压V 的正常值为10V R 10k 当V 变化 1V时 问相应的硅二极管电压 输出电压 的变化如何 由上表可见 在输入电压V 1和V 2中 只要有一个为0V 则输出为0V 只有当两输入电压均为5V时 输出才为5V 这种关系在数字电路中称为 与 逻辑 注意 在判断较复杂的电路中的二极管处于导通状态还是截止状态时 可以先将该二极管断开 然后按原二极管的正向求出两个断开点之间的电位差 该电位差若 二极管的正向导通电压UD 硅管0 7V 锗管0 2V 时 将二极管管接上则肯定导通 否则就截止 例2 4 在如图所示的低电压稳压电路中 直流电源电压V 的正常值为10V R 10k 当V 变化 1V时 问相应的硅二极管电压 输出电压 的变化如何 解 1 当V 的正常值为10V时 利用二极管恒压降模型有VD 0 7V 由此可得二极管点上的电流为 此电流值可证实二极管的管压降为0 7V的假设 2 在此Q点上 3 按题意 V 有 1V的波动 它可视为峰 峰值为2V的交流信号 该信号作用于由R和rd组成的分压器上 显然 相应的二极管的信号电压可按分压比来计算 即Vd 峰 峰值 由此可知 二极管电压Vd的变化为 2 79mv Return 2V 例2 5 如右图所示为一稳压电路 已知稳压管的 zmax 20mA zmin 5mA rz 10 Vz 6V 负载电阻的最大值RLmAX 10K 1 确定R 2 确定最小允许的RL值 3 若