模拟电子技术康第五版-ch03-2

,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 二极管,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN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、空穴及其导电作用,3.1.4 杂质半导体,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0,3.2.2 PN结的形成,3.2.2 PN结的形成, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成势垒电位Vo,势垒电位Vo决定于材料及掺杂浓度,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,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 ,PN结形成过程：,3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流IF,PN结加正向电压时的导电情况：,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低电阻。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.3 PN结的单向导电性,(2) PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流IR,PN结加反向电压时的导电情况：,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。PN结呈现高电阻。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3.2.3 PN结的单向导电性,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3.2.4 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2105V/cm 。,击穿可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,3.2.4 PN结的反向击穿,1、势垒电容CB,当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放过程，与电容的充放电过程相同，其等效电容称为势垒电容。,定义：,-Q,+Q,(结面积),(结厚度),注意：势垒电容不是常量，反偏电压越大，势垒电容越小。,一般：CB=几个PF，较小。,在一定条件下，PN结具有电容效应，根据产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。,3.2.5 PN结的电容效应,2、扩散电容CD,当PN结外加正向电压变化时，在扩散行程中非平衡载流子的浓度及浓度梯度均有变化。当正偏电压增大时，浓度和浓度梯度都增大，从外部看正向电流增大，反之，正偏电压减小时，正向电流减小。非平衡载流子所带电量的数量变化相当于电容的充放电，将之称为扩散电容。,一般：CD=几十PF0.01F。,反偏时：,扩散电容一般在正偏条件下起作用。,注意：扩散电容不是常量，而是与正向电流成正比。,定义：,3、PN结的结电容CJ,CJ = CB+ CD,（1）低频时电容相当于开路，PN结具有单向导电性。,（2）当外加电压的频率高到一定程度时，电容上的容抗 较小PN结失去单向导电性。,因此一般的半导体器件都