模拟电子技术：CH03-1 二极管及其基本电路

1、1,3 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,第4次课,第5次课,2,3 二极管及其基本电路,主要内容 半导体的基本知识 PN 结的形成及特点 半导体二极管的结构、V-I 特性、参数、及基本应用电路 基本要求 了解半导体材料的基本结构及PN 结的形成 掌握PN 结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的V-I 特性及其基本应用,3,3.1 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,4

2、,3.1.1 半导体材料,绝缘体,根据物体导电能力,导体,半导体,硅Si,锗Ge,砷化镓GaAs,最常用,导电率105Scm-1,导电率10-22Scm-1,导电率10-9102Scm-1,导电能力介于导体与绝缘体之间,5,通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率,2. 温度可明显地改变半导体的电导率,3. 光照可明显地改变半导体的电导率，同时还可以产生电动势,5. 外施电压能发光，能制冷,外界物理量能影响半导体中的电子变化，外施电压能使半导体产生物理量,4. 半导体对很多物理量都很敏感，能够制成很多种传感器,半导体的特性简介,6,3.1.2 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

3、构,4价元素,正离子芯,周边有4个电子,图示应为立体结构,a) 锗Ge 的原子结构 (b) 硅Si 的原子结构,7,3.1.3 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半导体。它在物理结构上呈单晶体形态,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体,8,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子,当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子

4、核的束缚，而参与导电，成为自由电子,9,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体的导电,空穴也能移动,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充空穴来实现的,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,在外界的影响下（如热、光、电场、磁场等），使得其共价键中的价电子获得一定能量后，电子受到激发脱离共价键，成为自由电子（带负电），共价键中留下一个空位，称为“空穴,电子移动导致电流,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,10,3-1-1两种载流子.SWF,11,空穴的移动,价电子,空穴 自由电子,空穴的相对移动,实际是电子在移动，空穴是相对移动,空穴的出现是半导

5、体区别于导体的重要特点,12,两种载流子共同形成半导体内的电流,电子电流,空穴电流,自由电子作定向运动所形成的电流,被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流,13,电流方向,电子e实际方向,空穴方向,电子e实际方向,空穴方向,在自由空间运行,在原子束缚空间运行,电子依次递补的相对运动,有阻力,两种载流子共同形成 半导体内的电流,电子e+空穴,提示：实质都是电子的运动,14,电流方向,电子e实际方向,空穴方向,电子e实际方向,空穴方向,两种载流子共同形成 半导体内的电流,电子e+空穴,提示：实质都是电子的运动,半导体,但是用电子描述无法量化，用空穴可以量化,15,关于所谓的空穴移动的分析,前面分

6、析时已经说明是电子的依次移动反映出空穴的相对移动,因而将空穴的移动看做是另外一种电流的流动,但是这种电流的流动的实质还是电子的流动,是一种电子在原子束缚能级中的依次移动,从这个观点看来，半导体中的电流是由自由电子和在原子束缚能级中的电子两种电子流构成的,在原子束缚能级中移动的电子显然受到的阻力大，反映出来的导电率低,因此综合判断半导体的总导电率低,16,3.1.4 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,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,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

7、质半导体,为什么先提纯再掺杂形成杂质半导体,17,1. N型半导体,3.1.4 杂质半导体,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,磷原子的结构,18,N 型半导体示意图,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质,半导体中的自由电子数目大量增加，于是有,自由电子数 空穴数,以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或 N 型半导体（N type semiconductor ),少数载流子,多数载流子,19,2. P型半导体,3.1.4 杂质半导体,因三价杂

8、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穴,硼原子的结构,20,2. P型半导体,3.1.4 杂质半导体,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质,自由电子数 空穴数 少数载流子 多数载流子 因此以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体 或 P 型半导体 (P type semiconductor ),21,3. 杂质对半导体导电性的影响,3.1.4 杂质半导体,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,掺杂后的电子空穴浓度增加一百万倍,4.961022/cm3,22,本征半导体、杂质半导体,注意掌握本节中的

9、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,end,最常用概念,23,3.2 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,24,3.2.1 载流子的漂移与扩散,扩散运动,漂移运动,由电场作用引起的载流子的运动,由载流子浓度差引起的载流子的运动,自然界中扩散运动例子很多，如墨水滴进水中,但在固体中的扩散例子较少，只产生于边界,25,3.2.2 PN结的形成,在一块本征半导体基片上分别在两个区域掺杂P型和N型元素构成PN结,

10、26,3.2.2 PN结的形成,27,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,28,29,1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。 2）内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区-PN结又称为阻挡层或耗尽层,注意,30,3-1-2 PN结的形成.swf,31,3-1-2

11、PN结的形成.swf,32,3.2.3 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,1) PN结加正向电压时,降低结电阻,大的正向扩散电流,多子电流,缩短耗尽层,外电场与内电场方向相反,偏-加载,33,3-1-3 PN结正偏.swf,34,1) PN结加正向电压时,35,3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏,2) PN结加反向电压时,高结电阻 很小的反向漂移电流,内外电场同向，耗尽层被加宽，阻止多子流动,36,2) PN结加反向电压时,37,3-1-4 PN结的反偏.swf,38,

12、结论：PN结具有单向导电性,呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流,呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流,PN结加正向电压时,耗尽层电场与外施电场相反被削弱,PN结加反向电压时,耗尽层电场与外施电场相同被加宽,结论：外施电压能够调节耗尽层的宽度，-压控电阻,39,3.2.3 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,用伏安特性法分析,k为波耳兹曼常数（1.381023J/K,T为热力学温度，即绝对温度（单位为K，0K=-273C,q为电子电荷（1.61019C,40,3.2.3 PN结的单向导电性,

13、3) PN结V-I 特性表达式,vD为正,当vD比VT大几倍时,远大于1,Vd为负,当Vd比Vt大几倍时,趋近于零,因此 id =-Is,Id与Vd成指数关系,该公式能够正确表达二极管的伏安特性,41,3.2.3 PN结的单向导电性,3) PN结V-I 特性表达式,从PN结电阻的角度分析伏安特性,当PN结正偏时,外施电压上升，结电阻下降,越过门槛电压后迅速上升,当PN结反偏时,外施电压和结电阻同步上升，反偏电流恒定,外施电压上升，结电阻也上升,42,3.2.4 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,PN结外施反向电

14、压是有限度的,击穿有两类,43,3.2.4 PN结的反向击穿,热击穿,当反向电流和反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率,使结上温升过热而烧毁,不可恢复,为提高耗散功率可以增加加散热装置,第4次课,44,3.2.4 PN结的反向击穿,雪崩击穿,结上反压增强，使少数载流子获得足够的动能，运动中与晶体原子发生碰撞，导致原来共价键上的粒子获得动能摆脱束缚，形成自由电子-空穴对，新生的自由电子再获得电场动能还会继续碰撞产生更多的自由电子-空穴对，持续效应如同雪崩,电击穿没有超过耗散功率时可恢复,45,3.2.4 PN结的反向击穿,齐纳击穿,杂质浓度大，空间电荷区窄，加到一定高反压时发生,齐纳二极管-稳

15、压用,电击穿没有超过耗散功率时可恢复,破坏共价键，产生电子空穴对,46,3.2.5 PN结的电容效应,1) 扩散电容CD,扩散电容示意图,当PN结处于正向偏置,扩散运动使多数载流子穿过PN结,在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积,存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小,离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小,47,3.2.5 PN结的电容效应,1) 扩散电容CD,扩散电容示意图,两者之比Q/V为扩散电容CD,若外加正向电压有一增量V,则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q,48,3.2.5 PN结的电容效应,2) 势垒电容CB,end,这种由空间

16、电荷数量随电压变化而产生的电容效应称为PN结的势垒电容,PN结的空间电荷区也称势垒区，是积累空间电荷的区域,当PN结两端电压改变时，会引起空间电荷数量的改变，从而产生PN结的电容效应,49,3.2.5 PN结的电容效应,end,PN结的电容效应主要影响二极管的高频特性,PN结的电容效应是势垒电容CB和扩散电容CD的综合反映,当PN结处于正向偏置时，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，结电容较小（主要决定于势垒电容CB,正偏时， Cj CD 反偏时， Cj CB,50,3.2.4 PN结特性总结,正向电压时，有一个死区，电压越过死区时，电流以指数规律迅速上升,反向电压时，

17、PN结流过微小的反向电流，称反向漏电流,反向漏电流，不随反向电压变化，保持恒定，有恒流作用,反向电压继续增加到一定程度发生反向击穿。反向电流迅速增加,反向漏电流受温度等因素影响较大，构成一种噪声,正反向电流的增加都不能超过PN结耗散功率，导致PN烧毁,PN结加变化的正反向电压时，都会呈现电容效应,51,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,52,3.3.1 二极管的结构,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、面接触型两大类,1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,53

18、,54,c）代表符号,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,a）面接触型,b）集成电路中的平面型,55,56,半导体二极管图片,57,半导体二极管图片,58,半导体二极管图片,59,3.3.2 二极管的V-I 特性,二极管的V-I 特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,0.60.7V,0.2V0.3,二极管的正向压降一般硅管取0.7V锗管取0.2V,没有特殊规定时,60,3.3.3 二极管的主要参数,61,1) 最大整流电流IF,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,一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行,62,3) 反向电流IR,指管子未击穿时的反向电流,值愈小，则管子的单向导电性愈好,由于温度增加，反向电流会明显增加,63,4) 极间电容Cd（CB、 CD,PN结存在扩散电容CD和势垒电容CB,在高频运用时，可以用下图所示的PN结高频等效电路，共中r表示结电阻，C表示结电容，包括势垒电容和扩散电容的总效果,PN结正向偏置，r为正向电阻，数值很小，结电容较大。 PN结反向偏置，r为反向电阻，数值较大，结电容较小,64,5) 反向恢复时间TRR,由于二极管中PN结电容效应的存在，当二极管外