模电二极管及其基本电路

模电二极管及其基本电路内容提要半导体基本知识3.1PN结形成及特性3.2半导体二极管特性3.3二极管电路分析方法3.4特殊二极管3.53.1.1.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半导体材料导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

3.1.1半导体材料半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

3.1.2半导体的共价键结构通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。GeSi

3.1.2半导体的共价键结构硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体3D结构：

3.1.2半导体的共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子

3.1.2半导体的共价键结构共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，故本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4在绝对0

度（T=

0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为

0，相当于绝缘体。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用1.载流子、自由电子和空穴自由电子空穴束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用2.本征半导体的导电机理在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用2.本征半导体的导电机理温度越高，载流子浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。在本征半导体中掺入某些微量杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。

3.1.4杂质半导体P

型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为“空穴半导体”。N

型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为“电子半导体”。

3.1.4杂质半导体1.

N

型半导体在硅或锗晶体中，掺入少量五价元素磷或锑，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必多出一个电子，该电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

3.1.4杂质半导体1.

N

型半导体多余电子磷原子A.由施主原子提供电子，浓度与施主原子相同B.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度>>本征半导体中载流子浓度，故自由电子浓度>>空穴浓度。自由电子称多数载流子（多子），空穴称少数载流子（少子）。N-SC多子、少子是？+4+4+5+4

3.1.4杂质半导体2.

P

型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素，如硼或铟，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。该空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，故称受主原子。

3.1.4杂质半导体2.

P

型半导体空穴硼原子A.由受主原子提供空穴，浓度与受主原子相同B.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度>>本征半导体中载流子浓度，故空穴浓度>>自由电子浓度。空穴称多数载流子（多子），自由电子称少数载流子（少子）。P-SC多子、少子是？+4+4+3+4

3.1.4杂质半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.杂质半导体的示意表示法P型半导体N型半导体

3.2.1载流子的漂移与扩散

3.2.2

PN结的形成

3.2.3PN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1.漂移由于热能激发，半导体（SC）内的载流子将做随机的无定向运动，但任意方向的平均速度为0，故无电流存在。当SC外加电场，电子则逆电场移动，空穴则顺电场移动，形成电流。电场作用下导致载流子运动称为“漂移”。

Si

材料中，电子运动的速度约为空穴运动速度的3倍，电子导电器件优于空穴导电器件。

3.2.1载流子的漂移与扩散2.扩散基于载流子浓度差异和随机热运动的速度，载流子由高浓度区域向低浓度区域运动，称为“扩散”，从而形成扩散电流。若无外来超量载流子的注入或电场的作用，载流子浓度最终趋于均匀直至扩散电流为0。

3.2.2PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造

P型半导体和

N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN

结。

3.2.2PN

结的形成P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。

3.2.2PN

结的形成P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变

3.2.2PN

结的形成空间电荷区N型区P型区电位VV0

3.2.2PN

结的形成1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍

P

中的空穴、N

区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）3.P

区中的电子和

N

区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:0.偏置的概念

3.2.3PN

结的单向导电性PN

结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P

区加正、N

区加负电压。PN

结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P

区加负、N

区加正电压。

3.2.3PN

结的单向导电性1.

PN结正向偏置RE内电场外电场变薄内电场被削弱，多子的扩散加强并能够形成较大的扩散电流。

3.2.3PN

结的单向导电性1.

PN结正向偏置PN结正偏时的导电情况低电阻大的正向扩散电流PN结的正偏伏安特性iD/mAUD/V

3.2.3PN

结的单向导电性2.

PN结反向偏置变厚内电场外电场内电场被加强，多子扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小反向电流。RE

3.2.3PN

结的单向导电性2.

PN结反向偏置高电阻很小的反向漂移电流PN结反偏时的导电情况iD/mAUD/V

3.2.3PN

结的单向导电性2.

PN结反向偏置高电阻很小的反向漂移电流PN结反偏时的导电情况iD/mAUD/V在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度为一定，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，此电流也称反向饱和电流。

3.2.3PN

结的单向导电性2.

PN结正、反向偏置总结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。

3.2.3PN

结的单向导电性3.

PN结V-I特性表达式其中：IS：反向饱和电流VT：温度的电压当量在常温下（T=300K）iD/mAvD/V

3.2.4PN

结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定值时，反向电流突然快增，此现象称

PN

结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆iD/mAUD/V

3.2.5PN

结的电容效应1.势垒电容CB形成机理：势垒区指积累空间电荷区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷变化（厚薄等），此所表现出的电容是势垒电容。势垒电容示意图PNE-+PN“介质”“导体”“导体”可做变容二极管！

3.2.5PN

结的电容效应2.扩散电容CD为形成正向电流（扩散电流），注入

P

区的少子/电子在

P

区有浓度差，越近PN结浓度越大，即在P

区有电子积累。同理，在

N

区有空穴积累。正向电流大则积累电荷多。这样产生的电容即扩散为CDERPN扩散电容示意图

3.2.5PN

结的电容效应3.等效电路势垒电容CB在正偏和反偏时均不能忽略。PN结反偏时，由于载流子数目很少，扩散电容CD可忽略，总等效电容以势垒电容CB为主；PN结正偏时，载流子数目多，扩散电容CD远大于势垒电容CB，此时，总等效电容以势垒电容CD为主；PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应Crd

3.3.1半导体二极管的结构

3.3.2二极管的伏安特性

3.3.3二极管的参数在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、面接触型和平面型三大类。

3.3.1半导体二极管的结构在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、面接触型和平面型三大类。

3.3.1半导体二极管的结构1.点接触型二极管

3.3.1半导体二极管的结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2.面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线3.平面型二极管

3.3.1半导体二极管的结构常用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。4.二极管代表符号PN阴极引线阳极引线PNP型支持衬底

3.3.2二极管的伏安特性V-I

特性曲线可表示为：硅二极管2CP10的V-I特性

死区反向击穿特性反向特性正向特性

3.3.2二极管的伏安特性V-I

特性曲线可表示为：锗二极管2AP15的V-I

特性

1.最大整流电流IF

3.3.3二极管的参数2.

反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM3.

反向电流

IR4.

正向压降VF5.

极间电容CBCBrd

3.4.1二极管V-I

特性的建模

3.4.2应用举例

3.4.1V-I

特性的建模1.理想模型2.恒压降模型3.折线模型

3.4.1V-I

特性的建模4.小信号模型

D工作在正向特性某一小范围时，如图：+–

3.4.1V-I

特性的建模4.小信号模型

D工作在正向特性某一小范围时，其正向特性可等效成一个微变电阻，即：根据，得Q点微变：则常温下（T=300K）电导：

3.4.2应用举例1.静态工作情况分析硅D典型值理想模型恒压模型折线模型设硅D典型值

3.4.2应用举例2.限幅电路例3.4.4(1)vI＜(Vth+

Vref)=3.5V(2)vI≥(Vth+

Vref)=3.5V

3.4.2应用举例2.限幅电路例3.4.4(1)vI＜(Vth+

Vref)=3.5V(2)vI≥(Vth+

Vref)=3.5V

3.4.2应用举例3.整流电路：半波整流二极管：死区电压=

0.5V，正向压降≈0.7V(硅D)理想二极管：死区电压=

0V，正向压降=

0V

3.4.2应用举例4.脉冲电路：光电二极管发光二极管

3.5.1稳压二极管

3.5.2变容二极管

3.5.3光电子器件激光二极管

3.5.1稳压二极管1.符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。IZIZmaxUZIZUIUZ+动态电阻：

rz越小，稳压性能越好！越陡电压越稳定稳压误差

3.5.1稳压二极管2.主要参数真加法器（反相）(1)稳定电压VZ(2)动态电阻

rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ

3.5.1稳压二极管3.稳压特性真