半导体二极管及其基本电路.ppt

,3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,2.1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,3.1.1半导体材料,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体的电阻率10-610-4Cm以下。绝缘体的电阻率10101020Cm以上。半导体的电阻率10-3109Cm,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,半导体的特点,1半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2半导体受外界光和热的激励时，其导电能力将会有显著变化。3.在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。,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二维晶格结构,共价键：相邻两个原子各拿出一个价电子作为共用电子对而形成的相互作用力,3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体化学成分纯净的、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,本征激发-本征半导体中的价电子获得足够的随机热振动能量(如室温300K)而挣脱共价键的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留相同数量的空穴。,半导体的重要物理特性是它的电导率，电导率与材料单位体积中的电荷载流子的数目有关，电荷载流子的浓度愈高，电导率愈高。载流子浓度与材料的基本性质、温度及掺杂有关。在T=0K（）和没有外界激发时，每一原子的外层电子被共价键束缚成为束缚电子。,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。,半导体中空穴与电子相遇而不带电的现象称为复合。温度一定且动态平衡时，复合率等于产生率,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点,在本征半导体中，空穴和自由电子总是成对出现的，即电子和空穴的浓度相等。即ni=Pi,硅的原子密度约为在室温T=300K时，本征热激发的自由电子浓度，说明个原子中只有一个价电子成为自由电子,导电能力差,产生率g：每秒成对产生的电子或空穴数,复合率R：每秒复合的电子或空穴数,与ni,pi的乘积成正比,R=rnipi,r:与半导体材料有关的常数,若在本征半导体两端外加一电场，一方面自由电子将逆电场方向运动，另一方面由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，即空穴也产生定向运动，（顺电场方向运动）形成空穴电流。因而可用空穴移动形成的电流代替束缚电子移动产生的电流。故空穴也可看成是一种载流子。,空穴的移动：空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填补空穴来实现的。带负电荷的价电子依次填补空位的作用与带正电荷的粒子作反方向运动的效果相同,所以可用空穴的运动来代替电子的运动，因此在分析时可将空穴看成一个带正电的粒子。,E,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能发生显著变化。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。,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,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位。当其它共价键上的电子受到热振动或在本征激发下,子共价键上形成空穴,其带正电。但半导体仍呈中性。,电中性方程，NA：受主原子浓度(受主负离子浓度）n：少子电子浓度。P：总空穴浓度,填补这个空位时，从而在该硅原,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由受主杂质浓度决定；因空穴很多，自由电子与空穴的复合机会增多，自由电子浓度反而小于ni，是少数载流子。空位很容易俘获电子，使杂质原子成为不能移动的负离子。三价杂质因接受电子而称为受主杂质。,1.P型半导体,产生率g：每秒成对产生的电子或空穴数。动态平衡时，g=R,在受主杂质浓度远小于晶体的原子浓度时，载流子的产生率g和r可近似认为与杂质浓度无关由电中性方程又故少子浓度,2.N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因此称五价元素为施主杂质，从而在半导体中形成大量的自由电子。,施主杂质释放一个电子后，本身变成带一个电,子电荷量的正离子，由于释放的电子不是共价中的电子，因此不会产生空穴，这是与本征激发不同的地方。正离子束缚在晶格中，不能像空穴那样参与导电。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要决定施主原子的浓度；空穴是少数载流子。,提供自由电子的五价杂质原子因失去电子而带上正电荷成为不能移动的正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。但半导体仍保持中性,2.N型半导体,由以上对P型和N型半导体的分析可知：由于掺入的施主杂质使多子的数目大大增加，从而使多子与少子的复合机会大大增加，因此，对N半导体，多子的浓度n愈高，少子的浓度P就愈低。可以认为，多子的浓度约等于施主杂质原子的浓度，因而它受温度的影响很小，而少子却对温度很敏感，这将影响半导体器件的性能。,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:,3.杂质对半导体导电性的影响,由此看出，掺杂后N型半导体中的自由电子浓度大大增加,3.2.PN结的形成及其特性,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:,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（浓度差引起）,由杂质离子形成空间电荷区,在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别，N型区内电子很多而空穴很少，P型区内则相反，空穴很多而电子很少。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。,3.2.1、载流子扩散与漂移运动,负离子,正离子,空穴,电子,漂移：少子空穴或少子电子在电场的作用下的定向运动,负号表示电子逆电场方向运动。,电子迁移率,空穴迁移率,2、空间点荷区的形成,电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来保持的电中性被破坏了。P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子，杂质离子不能移动。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。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结空间电荷区，电子势能（=qVo）发生了变化，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡，一般称为势垒，因此又把空间电荷区称为势垒区。,在出现了空间电荷区以后，由于正负离子电荷之间的相互作用，在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，说明N区的电位比P区高，高出的数值用V0表示。由于这个电场是由多数载流子扩散运动即由内部形成的，而不是外加电压形成的，因此称为内电场。显然，这个内电场的方向是阻止多子扩散的.,3、内电场的形成,4、扩散与漂移运动的动态平衡,根据电场的方向和电子、空穴的带电极性还可以看出，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少。因此，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。参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，达到动态平衡。此时PN结的宽度维持不变。,3.2.2PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P型半导体,N型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区也称PN结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的宽度固定不变。,形成空间电荷区,V0：接触电位差(势垒电位）,3.2.3PN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；,(1)PN结加正向电压,PN结加正向电压时的导电情况,PN结变窄,IF,内电场被削弱多子的扩散加强形成较大的正向电流IF。,在外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄。即耗尽区厚度变薄，这时通过耗尽区中载流子增加，因而电阻减小，所以这个方向的外加电压称为正向电压或正向偏置电压。,结的单向导电性,p,N,1,1,2,2,内电场E0,外电场EF,V0-VF,V0,VF,电位,（）电位分布,正向特点：,PN结内的电流便由起支配地位的扩散电流所决定，在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流IF。在这种情况下，由少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。外加电压只要稍有变化，（如0.1V)正向电流即有明显的变化,IF随外加电压急速上升,1.大的正向扩散电流2.低电阻,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,PN结变宽,IR,P,N,+,+,+,(2)PN结加反向电压：P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏,结的单向导电性,p,N,1,1,2,2,内电场E0,外电场E,V0,电位,（）电位分布,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,反向特点：,高电阻很小的反向漂移电流(反相饱和电流),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)PN结V-I特性表达式,其中,IS反向饱和电流,VT温度的电压当量,在硅二极管PN结的两端，施加正、反向电压时，通过管子的电流可表达为,k：波耳兹曼常数(1.3810-23J/K)T:热力学温度q：电子电荷（1.610-19C),n发射系数（12）,上式可解释如下：（1）当二极管的PN结两端加正向电压时，电压vD为正值，当vD是VT的3倍以上时，式中的远大于1。这样，二极管的电流iD与电压vD成指数关系，如上图中的正向电压部分。（2）当二极管加反向电压时，vD为负值。若|vD|比VT大几倍时，指数项趋近于零。因此iD=Is，如上图中的反向电压部分所示。可见反向饱和电流Is是个常数，基本上不随外加反向电压的大小而变动。,死区电压,3.2.4PN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,PN结的击穿,雪崩击穿,当PN结反向电压增加时，空间电荷区的电场增强。通过空间电荷区的电子和空穴在电场作用下获得的能量增加，将不断地与晶体原子发生碰撞，使共价键中的电子激发形成电子-空穴对，新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在电场的作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞再产生电子-空穴对，当反向电压增大到某一值时，载流子的倍增就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，PN结发生雪崩击穿。,一般整流二极管的掺杂浓度低,它的击穿多数是雪崩击穿.稳压二极管是齐纳击穿.稳压管击穿后,只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结的耗散功率,稳压管不会损坏.超过了就会因为热量不能散出而使PN结温度上升,直到过热而烧毁,这种现象是热击穿.,载流子在如此薄的空间电荷区内与中性原子碰撞机会很小，但不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场,而直接破坏共价键,使价电子脱离共价键束缚,产生电子-空穴对,致使反向电流急剧增大.称为齐纳击穿,在高掺杂的情况下,因空间电荷区的宽度很薄,（如掺杂浓度为的锗PN结其宽度只有),动态平衡时的PN结宽度L0,:介电常数,3.2.5PN结的电容效应,(1)势垒电容CB：用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应的。势垒电容只在外加电压变化时才起作用。,势垒电容示意图,如当PN结两端加反向电压时，势垒电位为VR+V0，空间电荷区增宽，反向电压减小时，空间电荷区变窄，与平行板电容器两极板上电荷的变化相似。势垒电容是非线性的。,CB0零偏置时（外加电压为零）的势垒电容，VD为结型二极管工作点Q上的电压。m为梯度系数，对线性掺杂，m=1/3，对突变结，m=1/2。反向电压时VD为负，結电容很小。,CB0零偏置时（外加电压为零）的势垒电容，VD为结型二极管工作点Q上的电压。m为梯度系数，对线性掺杂，m=1/3，对突变结，m=1/2,由PN结理论,PN结的电容效应,对空间电荷区，P区或N区存储的电荷量的绝对值Q,将XP代入上式并对VD求导,当VD=0时,将CB0代入CB,2.2.4PN结的电容效应,(2)扩散电容CD(NA=ND),扩散电容示意图,ID结型二极管Q点上的电流，VT温度电压当量,载流子寿命：表示载流子从注入到复合存在的平均时间,加反向电压时ID=IS，CD很小,PN结的电容效应,由PN结理论,(对P+N结),由于PN结结电容（CB和CD）的存在，使其在高频运用时，必须考虑结电容的影响，PN结高频等效电路如图所示，图中rd表示结电阻，Cd表示结电容，包括势垒电容和扩散电容的总效果。当PN结处于正向偏置时，rd为正向电阻，其数值很小，结电容较大（主要决定于扩散电容CD）。当PN结处于反向偏置时，rd为反向电阻，其数值较大。结电容较小（主要决定于势垒电容CB）。,PN结的等效电路,注：扩散电容CD与流过PN结的正向电流iD、温度的电压当量VT及非平衡少子的寿命t有关，iD越大、t越大、VT越小，CD就越大,rs半导体的体电阻,参,型,号,数,mA,mA,A,V,V,MHZ,PF,2AP1,2AP2,16,20,40,2.5,250,1,150,12,100,150,5.0,250,150,1,国产半导体二极管的参数,点接触型锗管,用于检波和小电流整流,3.3半导体二极管,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。,点接触型二极管是由一根很细的金属触丝和一块半导体的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，金属与半导体结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，也不能承受高的反向电压和大的电流。面接触型或称面结型二极管的结构，由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。,二极管的结构示意图,3.3.2二极管的VI特性,1、正向特性,此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。,在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0.5V，锗管的Vth约为0.1，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.2V。,温度对伏安特性的影响,由图看出,相同的iD,vD减小,关于vD的减小,当温度升高时,N区或P区的少子增加,而多子基本不变,(取决于掺杂浓度)对N区,空穴增加,使PN交界面两边的空穴浓度差减小,P区向N区扩散过来的空穴减小,因此P区一边的空间电荷层变窄。（同理N区一边也变窄）位垒降低，为维持一定的电流，所需的外加电压可以降低。,2、反向特性,容易通过PN结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少，所以反向电流是很小的，一般硅管的反向电流比锗管小得多。,P型半导体中的少数载流子电子和N型半导体中的少数载流子空穴，在反向电压作用下很,3、反向击穿特性,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。,当增加反向电压时，因在一定温度条件，少数载流子数目有限，,3.3.3二极管的主要参数,一、最大整流电流IF。指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。二、反向击穿工作电压VBR。指二极管反向击穿时电压值，反向电流突然增加，单向导电性破坏。为保证二极安全工作，手册上给出最高反向工作电压VDRM，为击穿电压的一半。三、反向电流IR。指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。此值与温度有密切关系，在高温运行时要特别注意。四、极间电容CdCd=CD+CB，高频运用要考虑结电容的影响。,1,五、反向恢复时间,IRM：最大反向恢复电流,TRR：反向恢复时间,3.4.1简单二极管电路的图解分析方法,例3.4.1求vD和iD,2.4.1二极管V-I特性的建模,图示表示理想二极管的VI特性，其中的虚线表示实际二极管的VI特性。由图可见，在正向偏置(加正向电压)时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置(加反向电压)时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，(硅管0.7V,锗管0.2V)利用此法来近似分析是可行的。,1、理想模型,正向,反向,图3.4.2理想模型,VDDvD,2.恒压降模型,当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V（Si为0.7V、Ge为0.2V）。条件：只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时与结果接近。,图3.4.3,3.折线模型,为了较真实地描述二极管V-I特性，认为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，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V。（硅管）rD的值，当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：rD为直流电阻由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。,图3.4.4,直流电阻,3.4.2二极管V-I特性的建模,静态工作点Q：当vS=0时，二极管两端的直流电压VD和直流电流ID与二极管的正向特性曲线的交点,mV,4.小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻（交流电阻）,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,ID是曲线上工作点Q对应的电流,若ID=2mA，Rd=13,图3.4.6,例3.4.2半波整流,在正弦波的一周期内,二极管只导通半个周期,导通角为称为半波整流,输出电压为脉动的直流电压,二极管视为理想,例3.4.3,(1)(2)每种情况下,应用理想模型、恒压降模型、折线模型求解、,（1）,使用理想模型,使用恒压降模型,使用折线模型,（2）,使用理想模型,使用恒压降模型,使用折线模型,例3.4.4限幅R=1KVREF=3V,硅二极管,用理想和恒压降模型求界(1)vI=0V,4V,6V求v0(2)画v0波形,当时，与时的算法相同,（2）当为正弦电压时，当时，二极管不导通，传输特性是斜率为1的直线。当时斜率为直线,例3.4.7限幅电路,例3.4.7限幅电路,因输入电压不高，所以作用于二极管两端的电压不高，因此选用折线模型分析较合适,例3.5开关电路:利用二极管的单向导电性接通或断开电路,设二极管是理想的，、为两个输入变量，四种组合，为逻辑函数输出,与门电路,低电压稳压电路：利用二极管导通后，管压降VD=0.7V(硅管),可获得较好的稳压性能,例VI=10V,R=10K,VI变化1V,求,.小信号工作情况分析,例1：判别二极管是导通还是截止。,方法:断开二极管,求A点、B点的电位，若VAVB，则二极管导通，否则截止。如左图VB=3.5V,VA=1V二极管D截止,例2：判别二极管是导通还是截止。,断开二极管后，B点对地电位,A点对地电位,接上二极管后，D导通,正半周：D1、D3导通D2、D4截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,折线模型,例4求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时，输出v0的值。(2).Vi=6sintV时，输出v0的波形。,解：(1).,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI,vI=6V时，D导通。,(2).Vi=6sintV（理想模型）,例5：理想二极管电路中vi=VmsintV，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,例7：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,当VI0时D1截止D2导通,已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交。,解：,例8：,例9：,二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi3.6V时，二极管截止，vo=Vi。,1.符号及稳压特性,2.5.1稳压二极管,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻r