第六章半导体二极管及其应用电路3

6半导体二极管及其应用电路6.1半导体材料6.3半导体二极管6.4二极管电路分析方法6.5特殊二极管6.2PN结的形成及特性16.1半导体材料

6.1.1本征半导体

6.1.2N型半导体

6.1.3P型半导体2

6.1半导体材料

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。36.1.1本征半导体锗：

1886年2月，德国化学家Winkler向德国化学协会作了关于发现锗报告，并将此元素命名为Germanium以纪念其祖国Germany。锗在地壳中含量为0.0007%，较金、银、铂的含量均高，由于资源分散，增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。46.1.1本征半导体硅：

1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的，这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。56.1.1本征半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构66.1.1本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。在绝对温度零度(即0K，相当于-273℃)，且无外界激发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。

当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。76.1.1本征半导体空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。86.1.1本征半导体本征激发

动画96.1.1本征半导体空穴的运动

动画106.1.1本征半导体本征半导体特点：电子浓度＝空穴浓度

缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！本征半导体的导电能力弱。如果掺入微量的杂质元素，导电性能就会发生显著改变。按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体，统称为杂质半导体。

116.1.2N型半导体在硅(或锗)晶体中掺入少量的5价元素，如磷（P），则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。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。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。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。126.1.2N型半导体136.1.3P型半导体在硅(或锗)晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替。因三价杂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。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。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。146.1.3P型半导体15杂质姨对半播导体脆导电恭性的京影响小结掺入问杂质器对本傻征半冤导体坛的导遣电性饱有很酷大的此影响岸，一馒些典灿型的虽数据查如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上赞三个无浓度洒基本朴上依甜次相比差106/c溉m3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3166.扯2活P赏N结的寻形成聪及特江性6.危2.意2PN结的杜单向岭导电楼性6.尾2.顶3巩P姜N结的侮电容授效应6.给2.喊4PN结的掘反向水击穿6.简2.察1葵P军N结的饲形成176.鄙2.稿1施P股N结的破形成18在一坦块本秤征半窑导体型两侧咐通过含扩散误不同秘的杂年质,分别烫形成N型半暴导体励和P型半辜导体挖。此垒时将州在N型半勒导体键和P型半拔导体蔽的结坊合面娘上形录成如州下物袜理过挡程:因浓关度差空间芽电荷泊区形佣成内梳电场内电汗场促吹使少朽子漂劳移内电葱场阻陕止多萌子扩越散最后,多子齿的扩散和少判子的漂移达到动态菜平衡。多子挖的扩罪散运抛动由杂质怎离子度形成茫空间丙电荷围区196.底2.怜1刘P哑N结的拌形成206.召2.品1翁P娘N结的盼形成对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。216.影2.出1楚P宰N结的前形成PN结的尽形成动画226.刑2.台2弯P厌N结的追单向致导电孝性如果挑外加贩电压砍使PN结中边：P区的见电位在高于N区的雅电位选，称远为加博正向目电压贸，简鬼称正偏；PN结具待有单派向导愧电性临，若科外加篮电压竖使电薄流从P区流圆到N区，PN结呈铅低阻碌性，长所以摧电流塌大；廊反之贼是高肉阻性弃，电业流小株。P区的贼电位远低于N区的壶电位翠，称烈为加颂反向晌电压备，简赌称反偏。23外加慢的正却向电革压有摘一部姐分降润落在PN结区字，方悄向与PN结内技电场狠方向正相反槽，削剩弱了乞内电苗场。洽内电旨场对角多子肃扩散扇运动痒的阻仗碍减竭弱，侵扩散折电流融加大纯。扩锁散电水流远裂大于谎漂移坟电流匀，可乔忽略金漂移燥电流初的影饭响,炼PN结呈寄现低汽阻性。PN结加胶正向朵电压厚时的村导电况情况6.茫2.安2腰P室N结的膛单向殃导电凤性246.连2.庄2详P敬N结的虾单向纺导电好性PN结加猫正向袄电压动画25外加敲的反斩向电胸压有酱一部锋分降贩落在PN结区巨，方稻向与PN结内批电场糟方向助相同寻，加御强了镇内电榜场。制内电是场对巷多子昨扩散雨运动宋的阻隶碍增虚强，特扩散堤电流外大大鞋减小狱。此担时PN结区恐的少螺子在日内电客场的集作用叔下形印成的缠漂移渔电流至大于遍扩散统电流胁，可数忽略掠扩散肺电流文，由璃于漂湖移电宏流本馒身就抬很小山，PN结呈辩现高所阻性败。PN结加广反向辟电压竭时的着导电延情况6.坑2.嗓2饮P跨N结的鞠单向午导电舞性在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，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，这个电流也称为反向饱和电流。266.题2.齿2骡P虎N结的很单向微导电蒜性PN结加夜反向宅电压动画27PN结加仁正向短电压纤时，绘呈现衡低电指阻，争具有谁较大加的正士向扩航散电句流；PN结加滑反向傍电压烂时，舱呈现撕高电驱阻，输具有钓很小昨的反赴向漂汇移电芦流。由此免可以种得出铁结论叔：PN结具谢有单筋向导呈电性辽。286.详2.宿2伸P尺N结的禽单向扣导电闻性PN结V-I特性悉表达裁式：其中:PN结的夺伏安愿特性IS——反向腿饱和仔电流VT——温度闲的电吉压当夸量且在叮常温帜下(T=3校00贺K）:296.臣2.恢3甩P扰N结的愚电容结效应PN结具私有一姑定的彻电容禽效应职，它膛由两北方面暑的因荡素决谅定。一是辜势垒刺电容CB二是盗扩散陪电容CD306.面2.弊3射P尾N结的尸电容翼效应(1石)势垒阴电容CB势垒抱电容阳是由宁空间善电荷禾区离颤子薄凑层形揪成的农。当扯外加婆电压静使PN结上乱压降笑发生谋变化唇时，促离子买薄层坝的厚棉度也杨相应革地随拥之改秤变，绣这相养当PN结中障存储双的电摸荷量烘也随判之变哥化，欺犹如夸电容园的充拳放电骆。势垒询电容晕示意翁图316.闪2.洒3计P辅N结的蝇电容锡效应(2痰)扩散朝电容CD扩散燥电容串是由余多子寒扩散巧后，梁在PN结的乐另一芦侧面功积累拾而形朴成的抄。因PN结正血偏时庙，由N区扩搂散到P区的艰电子驳，与预外电粱源提浅供的箩空穴期相复垂合，击形成恳正向电流。刚萌扩散协过来氧的电贸子就睬堆积吗在P区内丈紧靠PN结的糖附近窜，形携成一智定的赠多子柴浓度烛梯度缺分布场曲线紧。反之床，由P区扩料散到N区的荐空穴至，在N区内呈也形浆成类寇似的溜浓度下梯度住分布衰曲线璃。326.康2.涂3毙P恰N结的驱电容巧效应扩散电容示意图当外题加正忙向电抢压不惰同时茧，扩趣散电源流即侨外电幅路电竹流的蚊大小射也就嫌不同吩。所匆以PN结两盖侧堆每积的律多子璃的浓照度梯绒度分醒布也羡不相艳同，扩这就节相当摸电容室的充忍放电磁过程踢。势偶垒电第容和通扩散紧电容潜均是注非线举性电脚容。336.厚2.自4丛P丙N结的叙反向阶击穿当PN结的颤反向但电压机增加姑到一申定数拒值时黎，反支向电址流突竹然快弓速增混加，联此现副象称朱为PN结的反向污击穿帆。热击肆穿——不可吃逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆346鞋.劝3半导司体二主极管6.某3.胆1半导追体二维极管朝的结菌构6.盆3.辽2二极糠管的逝伏安铃特性6.练3.劲3二极举管的及主要克参数356.嗽3.崭1半导臣体二偷极管挎的结舞构在PN结上闷加上平引线掏和封基装，羡就成赌为一本个二寇极管兰。二龙极管阅按结民构分蛙有点接菌触型谎、面熄接触择型两大斩类。(1贱)点接仓触型市二极返管点接谦触型二极治管结谷构示步意图PN结面紫积小运，结度电容域小，辫用于姑检波职和变魔频等银高频浮电路有。36（a）面币接触冈型屋（b）集吼成电险路中蹦的平塔面型绸（c）代泳表符舱号(2非)面接第触型龄二极揪管PN结面银积大非，用志于工钞频大那电流柄整流行电路社。(b锯)面接虑触型376.糕3.缩慧2二极判管的晴伏安晚特性二极步管的史伏安辈特性祝曲线阀可用拒下式间表示锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性386.卵3.体2二极跌管的扑伏安靠特性硅二极每管的傻死区雹电压Vth=0妻.5松V左右忠，锗二极缘瑞管的轰死区璃电压Vth=0泡.1释V左右忘。当0＜V＜Vth时，刷正向决电流诊为零肺，Vth称为则死区沾电压居或开姓启电拨压。当V＞0即处结于正掏向特弯性区捷域。正向贼区又付分为低两段置：当V＞Vth时，猫开始鸟出现书正向痕电流悲，并暂按指根数规庙律增深长。396.插3.缝2二极蒜管的沉伏安汗特性当V＜0时，振即处址于反肃向特摄性区抹域。秩反向编区也木分两猫个区止域：当VBR＜V＜0时，川反向这电流毙很小蹲，且佩基本站不随筐反向奔电压阀的变买化而草变化赏，此缠时的仔反向失电流押也称山反向悠饱和记电流IS。当V≥假VBR时，胶反向衰电流银急剧沃增加酷，VBR称为贴反向犬击穿驶电压。406.飞3.经2二极裹管的休伏安断特性温度核对二庄极管腰的性太能有酱较大灾的影表响，器温度惊升高抛时，椒反向柜电流芒将呈崭指数闸规律离增加扶，如钢硅二俯极管淡温度事每增侄加8℃，反柱向电址流将气约增音加一贷倍；方锗二语极管邀温度药每增躬加12否℃，反幅向电敬流大钉约增迷加一蹄倍。另外莫，温浓度升禁高时家，二作极管向的正垦向压酷降将进减小趟，每昨增加1℃，正欢向压含降VF(VD)大约投减小2m匙V，即具户有负横的温朴度系扩数。416.蛮3.括2二极泻管的红伏安慎特性温度对二极管伏安特性曲线的影响426.刮3.蚁3二极研管的贡主要葛参数半导舞体二亡极管屈的参战数包休括最享大整棒流电钻流IF、反向阵击穿店电压VBR、最大漆反向拥工作民电压VRM、反向捐电流IR、最高约工作滔频率fma沈x和结闪电容Cj等。趣几个及主要碑的参衣数介肯绍如堡下：(1过)最大扰整流壳电流IF—周—二极屿管长腿期连抖续工作时虎，允乖许通概过二极管硬的最捷大整货流电流档的平恨均值平。(2搂)反向盈击穿粘电压VBR鸟——和最四大反垒向工能作电阀压VRM

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。436.蔽3.史3二极迹管的晨主要罪参数(4蛇)正向敬压降VF(5妈)动态微电阻rd在室形温下粒，在恭规定片的反研向电委压下霸，一携般是巧最大沫反向侍工作荒电压忽下的凡反向裁电流齐值。屠硅二平极管捏的反言向电著流一究般在虑纳安(nA)级；手锗二扇极管雁在微听安(A)级。在规被定的寺正向择电流陈下，浴二极币管的隆正向隐电压部降。沟小电矮流硅仙二极皮管的津正向菜压降乔在中炭等电碗流水拳平下遍，约0.像6～0.睡8V；锗二残极管薯约0.群2～0.遭3V。反映爹了二垄极管摩正向算特性葛曲线斧斜率琴的倒桌数。争显然较，rd与工捐作电奔流的浅大小反有关资，即rd=VF/IF(3工)反向停电流IR44半导用体二时极管挖图片456.葬4二极辫管电戚路分贱析方龙法6.特4.嫂1图解授分析旋方法6.灭4.硬2简化缎模型僚分析解方法466.返4.句1图解屡分析换方法二极壮管是单一种挺非线冶性器勿件，纤因而淋其电竿路一劳般要携采用挠非线铜性电杂路的疯分析继方法孔，相姐对来舰说比肯较复碧杂，夸而图文解分剩析法大则较斥简单植，但孙前提受条件碧是已朵知二阳极管狗的V-I特性倘曲线云。47例1电路芽如图柱所示垮，已席知二泄极管味的V-I特性肺曲线净、电棚源VDD和电菜阻R，求二谋极管贿两端死电压vD和流炊过二罪极管限的电僻流iD。解：由电路的KVL方程，可得即是一唯条斜渴率为-1使/R的直肿线，想称为负载隔线Q的坐壶标值茫（VD，ID）即为恭所求既。Q点称水为电泛路的工作槐点486.笔4.易2二极崭管电耻路的胃简化僵模型矮分析串方法1.二极臣管V-I特性偷的建丛模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型496.纯4.针2二极穷管电笋路的叹简化像模型嚼分析翼方法1.二极副管V-I特性水的建芝模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型506.该4.约2二极株管电宗路的李简化介模型湖分析士方法1.二极边管V-I特性摄的建弓模（4）小横信号西模型vs=0时,Q点称纯为静杯态工嫁作点看，愤反映凳直流席时的圈工作孕状态闯。vs=Vmsi返nt时（Vm<<VDD）,将Q点附仇近小希范围畅内的V-触I特性长线性经化，望得到匀小信初号模发型，折即以Q点为创切点抛的一苏条直幅线。516.愈4.例2二极车管电们路的拉简化猎模型映分析浆方法1.二极岂管V-I特性镰的建锦模（4）小糟信号耍模型过Q点的挤切线可以为等效药成一辈个微潮变电预阻即根据得Q点处阴的微趴变电统导则常温前下（T=3践00竖K）（a）V-I特性（b）电路模型526.忽4.爪2二极腔管电跪路的陕简化商模型晌分析双方法1.二极驻管V-I特性猎的建方模（4）小债信号栋模型

特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）电路模型536.克4.厦2二极淹管电旨路的针简化步模型屑分析馒方法2．模晒型分岩析法没应用替举例（1）整亡流电粉路（a）电爸路图湿（b）vs和vo的波疼形542．模次型分晌析法盯应用距举例（2）静或态工厨作情丹况分裳析理想撇模型（R=10k）当VDD=10V时，恒压都模型（硅二极管典型值）折线侵模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V时，（自学）（a）简单二极管电路（b）习惯画法552．模晋型分悦析法紫应用歪举例（3）限转幅电潜路电路纯如图凤，R=竞1k授Ω，VRE惭F=决3V，二极絮管为辱硅二倒极管带。分贝别用奴理想香模型遗和恒嘉压降叠模型唉求解爪，当vI=肆6s明intV时，缠绘出输相应贴的输醒出电咸压vO的波帅形。562．模登型分铜析法迟应用厘举例（4）开紫关电扇路电路鄙如图边所示觉，求AO的电箱压值解：孩先断忌开D，以O为基辱准电秋位，即O点为0V。则接D阳极架的电匹位为-6泥V，接阴理极的中电位薯为-1塑2V。阳极具电位海高于脏阴极妙电位斑，D接入它时正纸向导著通。导通赛后，D的压撇降等毅于零吵，即A点的电巧位就挂是D阳极泼的电纯位。倍所以助，AO的电办压值河为-6漆V。572．模泡型分国析法扒应用慎举例（6）小跟信号席工作泛情况林分析图示嚼电路规中，VDD=椒5V，R=工