第二节半导体二极管

1、第一章第一章半导体器件半导体器件1.1半导体的特性半导体的特性1.2半导体二极管半导体二极管1.3双极型三极管双极型三极管( (BJT) )1.4场效应三极管场效应三极管第一章 半导体器件1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1PN 结及其单向导电性结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 1.2.1PN 结的形成结的形成第一章 半导体器件一、一、 PN 结中

2、载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 PN 结，耗结，耗尽层。尽层。图图 1.2.1PN第一章 半导体器件3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动

3、于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层图图 1.2.1( (b) )第一章 半导体器件5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移

4、运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为( (0.6 0.8) ) V, 锗材料约为锗材料约为( (0.2 0.3) ) V。第一章 半导体器件1. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电运动，电路中有较大的正向电流。流。图图 1.2.2PN第一章 半导体器件在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大

5、，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第一章 半导体器件空间电荷区空间电荷区图图 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 结结反向电

6、流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第一章 半导体器件综上所述：综上所述：当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当；当 PN 结反向偏置结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处结处于于截止状态截止状态。可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。第一章 半导体器件1.2.2二极

7、管的伏安特性二极管的伏安特性将将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：二极管的结构：( (a) )外形图外形图半导体二极管又称晶体二极管。半导体二极管又称晶体二极管。( (b) )符号符号图图 1.2.4二极管的外形和符号二极管的外形和符号第一章 半导体器件将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触

8、型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大第一章 半导体器件半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。小，可在高频下工作。面接触型二极管面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低

9、频率下工作。大，但只能在较低频率下工作。按用途划分：按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。第一章 半导体器件二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f ( (U ) )之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安

10、特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0图图 1.2.4二极管的伏安特性二极管的伏安特性第一章 半导体器件1. 正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫相应的电压叫死区电压死区电压。范。范围称围称死区。死区电压死区。死区电压与材料和温与材料和温度有关，硅管约度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗左右，锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.

11、4 0.8I / mAU / V当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速随着电压的升高，正向电流迅速增大。增大。第一章 半导体器件2. 反向特性反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后，当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增反向电流不随电压增加而增大，即饱和；大，即饱和；二极管加反向电压，反二极管加反向电压，反向电流很小；向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象

12、称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。低后，还可恢复正常。击穿击穿电压电压U(BR)(1-16)反向击穿电压反向击穿电压反向饱和电流反向饱和电流材料材料开启电压开启电压Uon导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A导通电压导通电压开启电压开启电压(mA)(A)(1-17)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降 u 反

13、向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) 常温附近常温附近：u22.5mV/ ， IS一倍一倍/10 温温度度对对伏伏安安特特性性的的影影响响第一章 半导体器件3. 伏安特性表达式伏安特性表达式( (二极管方程二极管方程) )1e (S TUUIIIS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mV二极管加反向电压，即二极管加反向电压，即 U UT ，则，则 I IS。二极管加正向电压，即二极管加正向电压，即 U 0，且，且 U UT ，则，则，可得，可得 ，说明电流，说明电流 I 与电压与电压 U 基本上成指数关系

14、。基本上成指数关系。1eTUUTUUIIeS 第一章 半导体器件结论：结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。属于非线性器件。第一章 半导体器件* * 二极管的等效模型电路二极管的等

15、效模型电路1. 理想模型理想模型正偏时：正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理想电相当于一理想电子开关。子开关。HomeNextBack图图1.2.10 二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型第一章 半导体器件HomeNext2. 恒压降模型恒压降模型Back 正偏时：正偏时：uD=Uon,RD=0; 反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理想电相当于一理想电子开关和恒压源子开关和恒压源的串联。的串联。图图1.2.11 二极管的恒压降等效模型二极管的恒压降等效模型第一章 半导体器件HomeNext3. 折线型模型折线型模型Back 正偏时：正

16、偏时：uD=iDrD+UTH; 反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理想电子相当于一理想电子开关、恒压源和电阻开关、恒压源和电阻的串联。的串联。图图1.2.12 二极管的折线型等效模型二极管的折线型等效模型第一章 半导体器件HomeNext4.4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个正向特性可以等效成一个微变电阻。微变电阻。BackDDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD dd1gr 则则DIVT 常温下常

17、温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 图图1.2.13 二极管的小信号等效模型二极管的小信号等效模型第一章 半导体器件HomeNext* * 二极管基本电路及模型分析法二极管基本电路及模型分析法1. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20V+Von(a) 原电路原电路(b) 理想模型电路理想模型电路(c) 恒压降模型电路恒压降模型电路图图1.2.14 例例1.2.1的电路图的电路图解：解：（1）理想模型，）理想模型，VD=0，则则mAKRVVID

18、DDD210020（2）恒压降模型）恒压降模型VD=0.7V，则则mAKRVVIDDDD93. 1107 . 020例例1.2.1 求图求图1.2.14（a）所示电路的硅二极管电流）所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压VD。第一章 半导体器件HomeNextBack2. 二极管开关电路二极管开关电路 例例1.2.2 如图如图1.2.15所示电路。所示电路。试求试求VI1、VI2为为0和和+5V时时V0的值的值 。R 10K V0Vcc +5V图图1.2.15 例例1.2.2 电路图电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 第一章

19、半导体器件1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2. 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工作时允许加在二极管两端的反向电压值工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将。通常将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR 。3. 反向电流反向电流 IR通常希望通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作频率最高工作频率 fMfM 值主要值主要 决定于决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，结电容愈大，二极管允许的最高工

20、作频率愈低。二极管允许的最高工作频率愈低。第一章 半导体器件*1.2.4二极管的电容效应二极管的电容效应当二极管上的电压发生变化时，当二极管上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。量将随之发生变化，使二极管具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV第一章

21、半导体器件空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加随外加电压电压 U 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一个常数。其。其 Cb = f ( (U) ) 曲线如图示。曲线如图示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OUCb图图 1.2.8第一章 半导体器件2. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在

22、扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np( (或或 N 区的区的空穴浓度空穴浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处为处为 P 与与 N 区的交界处区的交界处当电压加大，当电压加大，np ( (或或 pn) )会升高，如会升高，如曲线曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )。OxnPQ12 Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。 Q正向电压时，变化载流子积累电荷正向

23、电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.2.9第一章 半导体器件综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；当反向偏置时，势；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个

24、皮法 几十皮法，几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。第一章 半导体器件(1-31)齐纳击穿：齐纳击穿： 高掺杂高掺杂PN结窄结窄不大的电压不大的电压很强很强的电场的电场破坏共价键破坏共价键电流电流雪崩击穿：雪崩击穿： 低掺杂低掺杂PN结宽结宽较大的电压较大的电压价电价电子加速子加速把价电子撞击出共价键把价电子撞击出共价键倍增效应倍增效应电流电流 通常，通常，U(BR) 7V 为雪崩击穿；为雪崩击穿； U(BR)5V ：Uo = 5VUi Vb故：故：Da优先导通优先导通 Db截止截止若：若：Da导通压降为导通压降为0.3V则：则：Vy = 2.7V解：

25、VaVbVy-12VDaDb(1-34)tttuiuRuoRRLuiuRuo已知：已知：Ui波形波形 ，二极管为理想元件。，二极管为理想元件。 试求：输出试求：输出Uo的波形。的波形。第一章 半导体器件 1.2.5稳压管稳压管一种特殊的面接触型半一种特殊的面接触型半导体硅二极管。导体硅二极管。稳压管稳压管工作于反向击穿工作于反向击穿区区。 I/mAU/VO+ 正向正向 +反向反向 U( (b) )稳压管符号稳压管符号( (a) )稳压管伏安特性稳压管伏安特性+ I图图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号第一章 半导体器件 稳压管的参数主要有以下几项：稳压管的参数主要有以下

26、几项：1. 稳定电压稳定电压 UZ3. 动态电阻动态电阻 rZ2. 稳定电流稳定电流 IZZZZIUr 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。 正常工作的参考电流。正常工作的参考电流。I IZ ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈小愈好。对于愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电同一个稳压管，工作电流愈大，流愈大， rZ 值愈小。值愈小。IZ = 5 mA rZ 16 IZ = 20 mA rZ 3 IZ/mA第一章 半导体器件4. 电压温度系数电压温度系数 U稳压管电流不变时，环境温度每变化稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引

27、起稳定引起稳定电压变化的百分比。电压变化的百分比。 ( (1) ) UZ 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在在 4 7 V 之间，之间， U 值比较小，性能比较稳值比较小，性能比较稳定。定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V， U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V， U = ( (0.05 0.03) )%/( (3) ) 2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。精密稳压源中。第一章 半导体器件 2DW7 系列稳压管结构系列稳压管结构( (a) )2DW7 稳压管外形图稳压管外形图( (b) )内部结构示意图内部结构示意图管子内部包括管子内部包括两个温度系两个温度系数相反的二极管对接数相反的二极管对接在一起。在一起。温度变化时，一个二极管被温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，系数为负值，二者互相补偿，使使 1、2 两端之间的电压随温度的两端之间的电压随温度的变化很小。变化很小。例：例： 2DW7C， U = 0.005 %/图图 1.2.122DW7 稳压管稳压管第一章 半导体器件5. 额定功耗额定功耗 PZ额定功率决定于稳压管允许的