模拟电子技术基础半导体二极管及其应用

模拟电子技术基础半导体二极管及其应用第1页/共32页

电子线路由有源电子器件和电阻、电容、电感等元件组成,半导体器件是构成电子线路的核心部件。本章首先阐述半导体的导电特性和PN结的形成机理,再讨论半导体二极管的结构、伏安特性主要参数和等效电路模型，并列举了半导体二极管典型应用电路。

本章简介1.1

半导体的基础知识1.3

半导体二极管1.2

PN结的形成及其单向导电性1.4

半导体二极管的典型应用1半导体二极管及其应用模拟电子技术基础第2页/共32页1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体及载流子的运动

1、N型半导体

2、P型半导体

3、半导体中载流子的运动本节内容1.1半导体的基础知识第3页/共32页1.1.1本征半导体无杂质本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。(在T=0K时，相当于绝缘体)。什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

半导体－－导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅（Si）、锗（Ge）等，均为四价元素（其原子最外层电子一般为4个，受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间）。1.1半导体的基础知识第4页/共32页导电特性：(1)掺杂效应：在本征半导体(纯净的且晶体结构完整的半导体，在T=0K时，相当于绝缘体。)中掺入少量其他元素(杂质)，可以改变和控制半导体的导电能力和导电类型，藉此特性可制造各种半导体器件；(2)热敏效应：温度变化可以改变半导体的导电能力，藉此热敏效应可制造热敏元件；(3)光敏效应：光照可以改变半导体的导电能力，并产生电动势，藉此光电效应可制造光电晶体管、光电耦合器和光电池等光电器件。1.1半导体的基础知识第5页/共32页(1)本征半导体的结构(1)T=0K(-273℃)共价键结构稳定，无自由电子----不导电(3)复合：自由电子填补空穴，自由电子--空穴成对消失。一定温度下，本征激发与复合运动达到动态平衡，自由电子与空穴的浓度一定且相等，可按式(1-1)计算。温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，本征半导体的导电能力增强。(2)本征激发（热激发）——T↑、光照，电子-空穴成对出现：具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，共价键中留有一个空位置，称为空穴。+4+4价电子自由电子空穴+4+4+4注意区别：价电子与自由电子1.1半导体的基础知识第6页/共32页

本征半导体中载流子数目少，导电性差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？(2)、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。两种载流子

本征半导体中存在两种载流子----带负电的自由电子和带正电的空穴。外加电场作用下，两种载流子均参与导电，且运动方向相反。理解与区别：二者导电的本质。1.1半导体的基础知识第7页/共32页自由电子：本征激发＋施主杂质提供

----多(数载流)子空穴：本征激发产生----少(数载流)子掺入五价元素杂质的半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强，因此称为电子型或N型半导体。1.1.2杂质半导体----载流子数↑↑杂质一般有两种:五价(磷)→N(电子)型；三价(铟)→P(空穴)型1.N型半导体----掺入五价施主杂质1.1半导体的基础知识第8页/共32页1.1.2杂质半导体----载流子数↑↑2.P型半导体----掺入三价受主杂质杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电能力越强，实现导电性可控。空穴：本征激发＋受主杂质提供

----多子自由电子：本征激发产生----少子掺入三价元素杂质的半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，因此称为空穴型或P型半导体。1.1半导体的基础知识第9页/共32页

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

N型半导体主要靠电子导电，其多数载流子是电子，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？

P型半导体主要靠空穴导电，其多数载流子是空穴，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？

在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？1.1半导体的基础知识第10页/共32页3、

半导体中载流子的运动注意:自由电子导电----是在外电场或浓度梯度作用下，本身的定向运动空穴导电----是在外电场或浓度梯度作用下，价电子依次填补空穴的运动。载流子浓度差(浓度梯度)作用下，载流子的定向运动产生扩散电流{电子流外电场作用下，载流子定向运动产生漂移电流空穴流{}扩散运动漂移运动1.1半导体的基础知识第11页/共32页1.2.1PN结的形成1.2.2PN结的单向导电性

1.PN结正偏导通

2.PN结反偏截止

1.2.3PN结的电容特性

1.势垒电容

2.扩散电容本节内容1.2PN结及其单向导电性第12页/共32页P区N区空间电荷区1.2.1PN结的形成←E0UΦxx-xPxN(b)OUΦ

为接触电位差，是当

E0

恒定时，在PN结中产生的电位差浓度差→多子扩散→复合多子扩散少子漂移动态平衡时空间电荷区宽度恒定\∕PN

结形成:内电场↑

→少子漂移↑

→空间电荷↓→内电场↓→多子扩散↑→内电场↑→少子漂移↑不利于多子扩散有利于少子漂移{→内电场→形成空间电荷区←E1.2PN结及其单向导电性第13页/共32页PN结的形成

因电场作用所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动(有利于漂移运动的进行)。1.2PN结及其单向导电性第14页/共32页1.2.2PN结的单向导电性正偏电流大,反偏电流小PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。1.正偏导通U→E外与E0反向→PN结厚度↓→电位差(UΦ-U

)↓→有利多子扩散，不利少子漂移，扩散电流远大于漂移电流,在PN结中形成从P区流向N区的数值较大的正向电流IF，二极管导通。

1.2PN结及其单向导电性第15页/共32页1.2.2PN结的单向导电性正偏电流大,反偏电流小U→E外与E0同向→PN结厚度↑→电位差(UΦ-U

)↑→不利于多子扩散，利于少子漂移，扩散电流少于漂移电流,但少子数很少，反向电流很小,二极截止。

PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。2.反偏截止

IR≈IS

(几乎恒定)-------反向饱和电流

1.2PN结及其单向导电性第16页/共32页1.2.3PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CT。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。结电容：

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！反偏时：CT>>CD

，CJ≈CT正偏时：CD>>CT

，CJ≈CD1.2PN结及其单向导电性第17页/共32页1.3.1半导体二极管的结构与符号1.3.2半导体二极管的伏安特性

1.3.3半导体二极管的主要参数

1.3.4半导体二极管的小信号等效电路模型本节内容1.3

半导体二极管第18页/共32页1.3.1

半导体二极管的结构与符号将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小(<1pF)，结允许的电流小，最高工作频率高(>100MHz)(用于高频和小功率整流)面接触型：结面积大，结电容大，结允许的电流大，最高工作频率低(一般仅作为整流管)平面型：结面积可小、可大；小的工作频率高，作为数字电路中的开关管，大的结允许的电流大，用于大功率整流常见外形1.3

半导体二极管第19页/共32页1.3.2半导体二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性426810123iD(mA)

(μA)SiGe0.20.40.60.8-20-40-600-U(BR)-U(BR)IsUD(th)uD(V)击穿电压反向饱和电流开启电压温度的电压当量常温下材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5~0.6V0.6~0.8V1µA以下锗Ge0.1~0.2V0.1~0.3V几十µA1.3

半导体二极管第20页/共32页1.3.2半导体二极管的伏安特性

分为三个工作区:426810123iD(mA)

(μA)SiGe0.20.40.60.8-20-40-600uD(V)-U(BR)-U(BR)Is图1-12二极管伏安特性曲线UD(th)正向工作区(2)反向工作区(3)击穿区1.3

半导体二极管第21页/共32页1.3.2半导体二极管的伏安特性

从二极管的伏安特性可以反映出：

1.单向导电性2.

伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线1.3

半导体二极管第22页/共32页1.3.3半导体二极管的主要参数最大整流电流IF：允许通过的最大正向平均电流

最大反向工作电压UR：二极管在使用时所允许的最大反向电压(瞬时值)反向电流IR：即IS最高工作频率fM：由PN结电容决定的频率参数

直流电阻交流电阻（动态电阻、微变电阻）IDQ↑、UDQ↑→RD↓

rd↓→非线性1.3

半导体二极管第23页/共32页理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0应根据不同情况选择不同的等效电路！1.3.4半导体二极管的等效电路导通时i与u成线性关系(1)理想模型(2)恒压降模型(3)折线模型适用于电源电压远大于二极管的管压降只有当二极管的电流iD≥1mA才是正确的二极管的导通电压随其电流而变这些模型用于直流分析或交流输入信号幅度较大的电路（如整流、限幅）1.3

半导体二极管第24页/共32页(4)小信号等效电路模型Q越高，rd越小。ui=0时直流电源作用1.3

半导体二极管第25页/共32页(1)电路符号与伏安特性

由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,实现稳压。(2)主要参数稳定电压UZ最小稳定电流IZm最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ1.3.5稳压管­®¯稳压性能ZrIZ<IZm，VS稳压性能差IZ>IZM，即PZ>PZM,VS会烧毁。最大允许电流IZM

工作电流IZ应

IZm≤IZ≤IZM----由限流电阻保证稳压管应用注意事项：(1)选取稳压值UZ=UO，且VS与RL并联；(2)VS

反偏，且UI>UZ(一般UI≥1.5UZ)；(3)稳压电路由限流电阻R与VS

串联构成。1.3

半导体二极管第26页/共32页应用----并联型稳压电路UImin～UImax

ILmax～ILminRLmin～RLmax