模拟电路笔记-半导体二极管

1、半导体二极管及其基本电路半导体的基本知识半导体材料1 半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。2常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、错（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs ）等；掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和睇（Sb）等。3半导体的特点：导电能力介于导体与绝缘体之间受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。半导体的共价键结构Si 、 Ge 是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结， 具有晶体结构。本征半导体、空穴及其导电作用1 本征半导体：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

2、2本征激发：T=0K 以上，价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电 子。3空穴：本征激发价电子成为自由电子后，共价键上留下的空位。空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样可以参加导电。邻近价电子就可填补到这个空位上， 而在这个电子原来的位置上又留下新的空位， 使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。空穴也是一种载流子， 这种载流子的运动， 是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的。本征半导体中的自由电子和空穴数相等。杂质半导体. P型半导体：在硅（或锗）的晶体内掺入少

3、量三价元素杂质，如硼、铟，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。P 型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生） 。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时， 就有可能填补这个空位， 使硼原子成为不能移动的负离子， 而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子， 形成了 空穴，半导体呈中性。 N 型半导体：在硅或锗的晶体中掺入五价元素，如磷、 砷、锑，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键， 多余的一个价电子在室温下就可以成为自由电子。 杂质原子变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。在 N 型半导体中多数载

4、流子是电子，空穴为少数载流子。PN 结的形成及其特性PN 结的形成在同一块半导体中，一边掺杂成N 型，另一边掺杂成P 型，在 N 型、 P 型半导体的交界面上形成PN 结。P区和N区载流子多子浓度差引起多子向对方扩散P 区留下了带负电的杂质离子,N 区留下了带正电的杂质离子， 集中在 P 和 N 区交界面附近。扩散产生空间电荷区（耗尽区）和内电场（从带正电的 N区指向带负电的 P区）。内电场阻止扩散，促使少子漂移，漂移运动使空间电荷区变窄。一内电场削弱，扩散加强一扩散与漂移达到动态平衡形成PN结。接触电位差：PN结空间电荷区的 N区的电位要比P区高，其差值用 Vo表示。PN结的单向导电性1.

5、PN结正偏：一外加正向电压（P区接正极、N区接负极）外加电场与PN结内电场方向相反，VF称为正向电压。P区中的多数载流子空穴向 PN结移动，和原来的一部分负离子中和，使 P区的空间电荷 量减少。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。一空间电荷区变窄，内电场减弱 一扩散大于漂移一多子扩散形成大的正向电流If。当外加电压VF稍有变化（如0.1V）,便能引起电流的显著变化。由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计。1V | 41212 111：11n UHIIIl1N1|J KT Jr :1 1 1INIH 1| 11 1IR几乎与外加电压 V

6、R无关。在一定温度 T下，热激发产生的少数载流子数一定，电流值趋于恒定。这时的反向电IR就是反向饱和电流，用 Is表示。Is受温度的影响较大。PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。3.VD -= Is(e nVT -1)Vt为温度的电压当量=kT/q ,其中k为波耳兹曼常数（1.38 M023J/K）, T为热力学温度即绝19对温度，q为电子电何（1.6 M0 C）, n=12,为发射系数，与 PN结尺寸、材料和通过的电流有关。在 T=300K时，VT=26mV。VD W正向当 vD 0,且 vD Vt 时，iD = Ise，nVT ；反向当 vd v 0,且 | vD fVT

7、时，iD= Ts= 0。图3.2.4 反向击穿反向击穿反向击穿（电击穿） ：当反向电压的绝对值达到 V BR （反向击穿电压）后，反向电流会突然增大。在反向电流很大的变化范围内，二极管两端电压几乎不变。电击穿过程是可逆的。热击穿：PN 结电击穿后电流很大，电压又很高，容易使PN 结发热，超过它的耗散功率会热击穿。 PN 结的电流和温升之间出现恶性循环，从而很会把PN 结烧毁。电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿：fPN结反向电压增加，空间电荷区中的电场随着增强。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大，与晶体原子又发生碰撞，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对（碰撞电离）。

8、新产生的电子和空穴又可通过碰撞，再产生电子空穴对（载流子的倍增效应）。载流子增加得多而快，反向电流急剧增大，PN结就发生雪崩击穿。齐纳击穿：fPN结空间电荷区中强电场，直接破坏共价键将束缚电子拉出造成电子空穴对。杂质浓度特别大的 PN 结中，空间电荷区内电荷密度大，空间电荷区很窄，电场强度 可能很高。如稳压管（齐纳二极管） 。PN 结的电容效应扩散电容 CD：PN 结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN 结边界上积累，并有一定的浓度分布。积累的电荷量随外加电压变化，引起电容效应而形成扩散电容。势垒电容 CB：PN 结的空间电荷随外加电压的变化而变化。PN 结反向偏置时， 当外加电压升高时，

9、 电子和空穴离开耗尽区， 好像电子和空穴从CB 放电，耗尽区增宽。当外加电压降低时， N 区电子和P 区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB “充电”，耗尽区变窄。CB 是非线性电容，与结电阻并联， PN 结反偏时作用不能忽视，高频时对电路的影响大。正向偏置时结电阻很小，影响小。CB 的大小与PN 结面积 S 成正比，与耗尽区厚度成反比，与平行板电容器相似。Cd是非线性电容。（3） PN结的高频电路：PN结正偏时，Cd较大。反偏时载流子数目很少，Cd较小。二极管二极管的结构点接触型二极管：一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如错）熔接，并做出相应的电极 引线，外加管壳密封而成

10、。极间电容很小，不能承受高的反向电压和大的电流。可用来作小电流整流、高频检波及 开关管。.面接触型二极管：PN结面积大，可承受较大的电流，极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。硅工艺平面型二极管是集成电路中常见的一种形式。阳极阴极引线引线阳极引线N型辅片金属触丝外壳阴极引线P型支持衬底(c)阳极引线铝合金小球PN结N型硅阴极引疑金睇合金底座阳极a，阴极图3.3.1半导体二极管结构二极管的V-I特性二极管的V-I特性和PN结的V T特性基本相同。jj/mA201510-40-20 nIrlil0.2。,4 0.6TO20 -50 -40ii/liA图3.3.2二极管的V I特性

11、.正向特性第1段为正向特性，正向电压大于 Vth时，内电场大为削弱，电流迅速增长，正向电 阻很小。硅管的门坎电压 Vth （又称死区电压）约为 0.5V,错管的Vth约为0.1。.反向特性反向饱和电流很小，如图第 2段所示，一般硅管的反向电流比错管小得多。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。.反向击穿特性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，对应于第3段，原因和PN击穿相同。二极管的主要参数.最大整流电流I F二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN结的结面积和外界散热条件决定。超过此值，会烧坏二极管。.最大反向工作电压 Vr二极管使用

12、时所允许加的最大反向电压，超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常取反向击穿电压的一半作为Vr。.反向电流I R二极管击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。.极间电容CdCd -CD CB.反向恢复时间Trr正偏翻转到反偏，反向电流先大后小。扩散电容CD的影响。二极管基本电路及分析方法图解分析法外电路特性 + V I特性二极管电路的简化模型分析法1.二极管V I特性的建模(1)理想模型理想二极管在正向偏置时，其管压降为0V,反向偏置时，它的电阻为无穷大，电流为O5图3.4.1 理想模型(2)恒压降模型当二极管导通后，其管压降认为恒定，不随电流而变(硅管典型值为0.7V)。此模

13、型十 %5(b)提供了合理的近似，因此应用较广。当二极管的电流iD等于或大于1mA时才是正确的。图3.4.3折线模(3)折线模型对恒压降模型的修正，二极管的管压降随着通过二极管电流增加而增加。模型中用一个电?和一个电阻rD近似。电池电压为二极管的门坎电压Vth(约为0.5V)。(4)小信号模型二极管在静态工作点 Q (Vd=Vd, iD =Id)附近工作,V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数是微变电阻rd。dvD rd diDrd的数值可从二极管的 V-I特性表达式导出。1)山口 dF JFT(当 T=300K 时)1 V1 2l5(mV)图 3.4. 4二极管小信号模型2.模型分析法应用举

14、例1）整流电路2）二极管电路静态工作情况分析例1.设二极管电路如 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Id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。(b)解：（1） Vdd=10V使用理想模型得Vd=0V , Id=V DD/R=10V/10k=1mA使用恒压降模型得卜包山二吐丝二。夕3 mAVd=0.7V ,R使用折线模型得10V-0.5V10 kfk n kfi=0.931mAVd=0.5V+I dd=0.5V+0.931mA X 0.2k=0.69V(2) Vdd=1V使用理想模型得

15、使用恒压降模型得IV-0.7V10kQ=0.03mA使用折线模型得lD=0.049mA , Vd=0.51V3）限幅电路Vi使二极管正向偏置。当Vi小于二极管导通电压时，二极管不导通；Vi超过二极管的导通电压，二极管导通，Vo的值被限制在一定范围内。4）开关电路当其两端电压低于导通电压时，二极管不导通，相当于开关断开；当其两端电压超过导通电压时，二极管导通，相当于开关接通。开关特性在数字电路是得到广泛的应用。在分析这种电路时，判断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。特殊二极管稳压二

16、极管稳压管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。Vz表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，低的为3V,高的可达300V,它的正向压降2勺为0.6V。稳压管的稳压作用在于，电流增量&z很大，只引起很小的电压变化 AVZ。VZ.曲线愈陡，动态电阻 rz =-愈小，稳压管的稳压性能愈好。 “Z一般Vz为8V左右的稳压管的动态电阻较小，rz随齐纳电压的下降迅速增加，低压稳压管稳压性能较差。VI为待稳定的直流电源电压，一般是由整流滤波电路提供。Dz为稳压管，R为限流电阻，它的作用是使电路有一个合适的工作状态，并限定电路 的工作电流。当Vi或Rl变化时，电路能自动地调整 Iz的大小，

17、以改变 R上的压降Ir,达到维持输 出电压Vo (Vz)基本恒定的目的。例如，当 Vi恒定而Rl减小时，将产生如下的自动调整过程：Rl J Io T Ir T Vo J Iz J Ir J Vo T在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R,使稳压管电流工作在Izmax和IZmin的范围。Vi -VoVo.Vi -Vo Rl max-Izmax. Rmin =R Rl maxRl max Iz max VOVi -VoV。Vi -Vo Rl minRl minRl min Iz min VO- Iz min, Rmax =变容二极管利用结电容随反向电压的增加而减小。更的典型值为 0.1mA/lx数量

18、级。aa9o 0 k o11111J10 S 62 U A片200 lx少400J50 -(b)肖特基二极管金属（铝、金等）与 N型半导体接触形成，耗尽区仅在N型半导体侧，正向压降低，反向击穿电压低。多数载流子器件，电容效应小，用于高频或开关。k?F图3.5.3 肖特基二极管光电子器件.光电二极管（光敏二极管）PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。代表符号等效电路等效曲线图3.5.4 光电二极管.发光二极管用神化钱、磷化钱等所制成的。通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。光谱范围比较窄，波长由所使用的基本材料而定。发光二极管常用来作为显示器件，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流几至十几毫安。发光二极管的主要特性表发光强度的单位