电路与模拟电子技术课件 第5章-半导体二极管及其基本应用

第五章半导体二极管及其基本应用§5.1半导体的基本知识§5.2半导体二极管§5.3半导体二极管的基本应用电路§5.1半导体的基础知识导体半导体绝缘体物质半导体的特性：1．导电能力介于导体和绝缘体之间；2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。硅和锗的原子结构简化模型示意图+4价电子(ValenceElectron)5.1.1、本征半导体惯性核+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半导体的晶体结构将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键

本征半导体结构示意图当绝对温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴T

2、本征半导体中的两种载流子

若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。——本征激发

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。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。半导体区别于导体的一个重要特点是空穴的出现。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。所以，本征半导体是成电中性的。小结：

二、本征载流子浓度复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是相反的过程。载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。

说明随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。——对温度非常敏感。在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.43×1010㎝-3

而本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3

相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。

室温下，本征半导体的导电能力很弱。结论

本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能不好控制，对温度的变化很敏感。5.1.2杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。掺入的杂质主要是三价或五价元素。N型半导体（电子型）——掺入五价杂质元素（如磷、砷、锑等）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼、铝等）的半导体。1.N型半导体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。几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。——施主原子——不能移动的正离子。由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。在N型半导体中：自由电子——多数载流子，简称多子，主要由杂质原子提供；空穴——少数载流子，简称少子,由本征激发形成。

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。答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，所以整个半导体仍然是电中性的。

问题：N型半导体是带正电还是带负电？

P型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。2.P型半导体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位。

空位很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体是电中性的。在P型半导体中：空穴——多数载流子，简称多子，主要由掺杂形成；自由电子——少数载流子，简称少子,由本征激发形成。14小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。电子电流空穴电流1漂移电流(DriftCurrent)5.1.3、PN结及其特性2扩散电流(DiffusionCurrent)

在电场作用下，半导体中的载流子作定向运动称为飘移运动。载流子的飘移运动形成的电流称为漂移电流。

由载流子浓度差（即浓度梯度）引起的载流子的运动称为扩散运动。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。PN

本征半导体的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。——PN结PN结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。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，产生内电场。1PN结的形成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。即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，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。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

问题：达到动态平衡时，在PN结流过的总电流为多少，方向是什么？如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流为零。PN多子扩散电流方向多子少子少子漂移电流方向多子少子空间电荷区、耗尽区、阻挡区、势垒区对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结不对称PN结问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。半导体有哪些载流子？带负电的自由电子带负电的空穴带正电的自由电子带正电的空穴ABCD提交多选题1分半导体区别于导体的一个重要特点是

的出现。自由电子空穴共价键价电子ABCD提交单选题1分N型半导体是带正电带负电电中性ABC提交单选题1分关于杂质半导体的说法正确的是：N型半导体掺入三价杂质原子N型半导体掺入五价杂质原子P型半导体掺入三价杂质原子P型半导体掺入五价杂质原子ABCD提交多选题1分N型半导体的多子是：自由电子空穴AB提交单选题1分P型半导体的多子是：自由电子空穴AB提交单选题1分PN结中内电场的方向是：N区→P区P区→N区AB提交单选题1分＊由于内电场减弱，有利于多子的扩散，多子源源不断扩散到对方，形成扩散电流，通过回路形成正向电流。2.

PN结的单向导电性（1）PN结正向偏置当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位称为加正向偏置，简称正偏；反之称为加反向偏置，简称反偏。＊由于耗尽层相对P区和N区为高阻区，所以外加电压绝大部分都降在耗尽区。＊由于内电场较小，因此只需较小的外加电压U，就能产生很大的正向电流。PN结处于导通状态。＊外加电场强行将多子推离耗尽区，使耗尽区变宽，内电场增强。（2）PN反向偏置＊外加电压增大时，反向电流基本不增加。＊内电场增强，多子扩散很难进行，而有利于少子的漂移。＊越过界面的少子通过回路形成反向(漂移)电流，反向电流很小，故可近似认为其截止。小结：

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，并随外加电压有明显变化；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且不随外加电压变化，近似截止。结论：PN结具有单向导电性。PN结的正向偏置电压方向为：N区→P区P区→N区AB提交单选题1分PN结加正向偏置电压时，下列说法正确的是：耗尽层变窄PN结是导通状态有利于多子的扩散有利于少子的漂移ABCD提交多选题1分PN结加反向偏置电压时，下列说法正确的是：耗尽层变宽PN结是截止状态电压变大，则电流变大有利于少子的漂移ABCD提交多选题1分（3）.PN结电流方程（伏安特性）其中IS——反向饱和电流UT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性

PN结的伏安特性当u比UT大几倍时即呈现指数变化。当u<0时,且|u|比UT大几倍时PN结电流方程讨论PN结的击穿特性

当反向电压超过U(BR)后，|u|稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿(Breakdown)。iu0-U(BR)

U(BR)称为PN结的击穿电压。3.PN结的电容效应（自学）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Cb。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，PN结两侧靠近空间电荷区的区域内，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：5.2半导体二极管5.2.1、二极管的几种常见结构及电路符号1、二极管的结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型。(1)点接触型二极管(a)点接触型

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，用于低频大电流整流电路。(3)平面型二极管PN结面积大的用于大功率整流电路，PN结面积小的用于脉冲数字电路中的开关管。(b)面接触型(c)平面型（4）二极管的电路符号5.2.2、半导体二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7V1）、伏安特性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V开启电压是说小于该电压时二极管是不导通的（电流可以忽略）；导通电压是指二极管已经导通了（肯定有无法忽略电流）的正向压降。如果是“理想二极管”，那么“开启电压”和“导通电压”都是0。

2）单向导电性3）温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加电击穿：

二极管的反向电流随外

电路变化，反向电压维

持在击穿电压附近

---稳压管由于功率过高造成破坏性的击穿---热击穿4）二极管的反向击穿特性：iu0-U(BR)1.最大整流电流IF2.最高反向电压URIF是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。其值与PN结面积及外部散热条件有关。UR指二极管工作时允许加的最大反向电压。一般为1/2的UBR3.反向电流IR4.最高工作频率fM指二极管未击穿状态时的反向电流。是二极管工作的上限频率，超过此值，由于结电容的作用，二极管不能有很好的单向导电性。5.2.3半导体二极管的主要参数5.2.4.

半导体二极管的等效电路模型由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。1理想二极管模型2恒压降模型3折线模型我们将用来等效二极管的线性电路称为二极管的等效电路，即等效模型。应根据不同情况选择不同的等效电路！二极管的等效电路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导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！将伏安特性折线化硅管：UD(on)＝0.7V

锗管：UD(on)＝0.3V交流小信号模型Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流含二极管电路的分析步骤（方法1）：根据实际工作条件，选择等效电路模型；计算理想二极管的开路电压U：若U>0，理想二极管导通，相当于短路；若U<0，理想二极管截止，相当于开路；进一步对电路进行分析，求所求相应。含二极管电路的分析步骤（方法2）：根据实际工作条件，选择等效电路模型；计算理想二极管的开路电压U：若采用理想二极管，U>0，二极管导通，相当于短路，U<0，二极管截止，相当于开路；若采用恒压降模型，U>

UD(on)，二极管导通，相当于电压源，电压为UD(on)，P区为正，N区为负，U<UD(on)，二极管截止，相当于开路；进一步对电路进行分析，求所求相应。练习：电路如图所示，UD=0.7V，在开关断开和闭合状态下，试判断二极管工作状态，并估算输出电压U0

。U1=6VU1=12VDSR+U0-开关断开：二极管导通、U0=5.3V;开关闭合：二极管截止、U0=12V。5.3.1、二极管整流电路（理想）5.3半导体二极管的基本应用电路VRLuiuo(a)电路tui

uot00(b)输入、输出波形关系半波整流电路u

i≥E+UD(ON)=2.7V二极管导通，uo=2.7V5.3.2、二极管限幅电路（恒压降）【例】电路如图（a），R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sin

tV时，绘出相应的输出电压vO的波形。【解】（1）理想模型，如图（b）当ui≤UREF时，二极管截止，u0=ui；当ui>UREF时，二极管导通，u0=UREF=3V，波形如图(d)【解】（2）恒压降模型，如图（c）当ui≤(UREF+UD(on))时，二极管截止，u0=ui；当ui>UREF+UD(on)时，二极管导通，u0=UREF+UD(on)=3+0.7=3.7V，波形如图(e)若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！5.2.3、稳压二极管进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流

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，为稳定电压。限流电阻a、稳压管的伏安特性，电压几乎不变，为-UZ。当1.稳定电压UZ2.额定功耗PZ击穿后流过管子的电流为规定值时，管子两端的电压值。稳压管所允许的最大功率，由管子升温所限定的参数，使用时不允许超过此值。3.稳定电流IZ4.动态电阻rZ5.温度系数α在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。表示单位温度变化引起