半导体二极管及其基本电路课件

半導體二極體及其基本電路§2.1半導體基礎知識2.1.1概念根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。導體：容易導電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導電的物體。如：橡膠等3.半導體

半導體是導電性能介於導體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導電。

半導體的電阻率為10-3～109

cm。典型的半導體有矽Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體特點：

1)在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬於此類。

2)在純淨半導體內摻入雜質，導電性能顯著增加。二極體、三極管屬於此類。2.1.2

本征半導體1.本征半導體——化學成分純淨的半導體。製造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態。電子技術中用的最多的是矽和鍺。矽和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結構模型如下圖：鍺矽電子外層電子受原子核的束縛力最小，成為價電子。物質的性質是由價電子決定的。2.本征半導體的共價鍵結構

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬於各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，並為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：

矽晶體的空間排列共價鍵結構平面示意圖共價鍵性質

共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0

K（-273C）時，由於共價鍵中的電子被束縛著，本征半導體中沒有自由電子，不導電。只有在激發下，本征半導體才能導電。3.電子與空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子共價鍵

當導體處於熱力學溫度0

K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。電子與空穴

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。電子與空穴的複合

可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為複合，如圖所示。本征激發和複合在一定溫度下會達到動態平衡。本征激發和複合的過程（動畫）空穴的移動

由於共價鍵中出現了空穴，在外加能源的激發下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現了空穴，其他電子又有可能轉移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現了電荷遷移—電流。空穴在晶體中的移動（動畫）電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導體中，產生電流的根本原因是由於共價鍵中出現了空穴。由於空穴數量有限，所以其電阻率很大。2.1.3雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。(1)N型半導體(2)P型半導體1.N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多餘的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。自由電子

在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；另外，矽晶體由於熱激發會產生少量的電子空穴對，所以空穴是少數載流子。N型半導體結構

提供自由電子的五價雜質原子因失去一個電子而帶單位正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖如下圖所示。磷原子核自由電子所以，N型半導體中的導電粒子有兩種： 自由電子—多數載流子（由兩部分組成） 空穴——少數載流子2.P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子在與矽原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子因受激發獲得能量時，就可能填補這個空穴，而產生新的空穴。空穴是其主要載流子。P型半導體結構

在P型半導體中，硼原子很容易由於俘獲一個電子而成為一個帶單位負電荷的負離子，三價雜質因而也稱為受主雜質。

而矽原子的共價鍵由於失去一個電子而形成空穴。所以P型半導體的結構示意圖如圖所示。硼原子核空穴P型半導體中：空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數載流子，由熱激發形成。3.雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

T=300K室溫下,本征矽的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜後N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

本征矽的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。本節中的有關概念

本征半導體、雜質半導體

自由電子、空穴N型半導體、P型半導體

多數載流子、少數載流子

施主雜質、受主雜質2.2PN結及其特性

PN結的形成

PN結的單向導電性PN結的電容效應1.PN結的形成

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:因濃度差多子擴散形成空間電荷區促使少子漂移阻止多子擴散擴散到對方的載流子在P區和N區的交界處附近被相互中和掉，使P區一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導體交界處逐漸形成由正、負離子組成的空間電荷區（耗盡層）。由於P區一側帶負電，N區一側帶正電，所以出現了方向由N區指向P區的內電場PN結的形成

當擴散和漂移運動達到平衡後，空間電荷區的寬度和內電場電位就相對穩定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結的電流為0。內電場空間電荷區耗盡層電子空穴P區N區PN結的形成

對於P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。由於耗盡層的存在，PN結的電阻很大。

PN結的形成過程（動畫）PN結的形成過程中的兩種運動：多數載流子擴散少數載流子飄移2.PN結的單向導電性PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區流到N區，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結中：

P區的電位高於N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

P區的電位低於N區的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結加正向電壓時的導電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。於是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大於漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。PN結加正向電壓時的導電情況（動畫）內電場方向PN結的伏安特性

低電阻大的正向擴散電流

(2)PN結加反向電壓時的導電情況

外加的反向電壓方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大於擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。

PN結加反向電壓時的導電情況（動畫）內電場方向PN結的伏安特性

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

高電阻很小的反向漂移電流（3）PN結的伏安特性

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。3.PN結方程

根據理論分析，PN結兩端的電壓V與流過PN結的電流I之間的關係為：其中：IS為PN結的反向飽和電流；VT稱為溫度電壓當量，在溫度為300K(27°C) 時， VT約為26mV；所以上式常寫為：PN結方程PN結正偏時，如果V>VT

幾倍以上，上式可改寫為：即I隨V按指數規律變化。 PN結反偏時，如果│V│>VT幾倍以上，上式可改寫為：其中負號表示為反向。4.PN結的擊穿特性 如圖所示，當加在PN結上的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然急劇增大，PN結產生電擊穿—這就是PN結的擊穿特性。 發生擊穿時的反偏電壓稱為PN結的反向擊穿電壓VBR。 PN結被擊穿後，PN結上的壓降高，電流大，功率大。當PN結上的功耗使PN結發熱，並超過它的耗散功率時，PN結將發生熱擊穿。這時PN結的電流和溫度之間出現惡性循環，最終將導致PN結燒毀。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆5.PN結的電容效應PN結除了具有單向導電性外，還有一定的電容效應。按產生電容的原因可分為：

勢壘電容CB，擴散電容CD

。(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖如下圖。勢壘電容示意圖(2)擴散電容CD

擴散電容是由多子擴散後，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區擴散到P區的電子，與外電源提供的空穴相複合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分佈曲線。

擴散電容示意圖反之，由P區擴散到N區的空穴，在N區內也形成類似的濃度梯度分佈曲線。擴散電容的示意圖如圖所示。擴散電容CD當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分佈也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。

擴散電容示意圖PN結在反偏時主要考慮勢壘電容。PN結在正偏時主要考慮擴散電容。§2.3半導體二極體及其應用半導體二極體的結構類型半導體二極體的伏安特性曲線半導體二極體的參數半導體二極體的溫度特性半導體二極體的型號穩壓二極體半導體二極體及其分析方法2.3.1半導體二極體的結構類型

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極體。二極體按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結構示意圖如下圖所示。(1)點接觸型二極體—PN結面積小，結電容小，用於檢波和變頻等高頻電路。點接觸型二極體的結構示意圖二極體的結構平面型(3)平面型二極體—

往往用於積體電路製造工藝中。PN結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極體—PN結面積大，用於工頻大電流整流電路。面接觸型2.3.2半導體二極體的伏安特性曲線

半導體二極體的伏安特性曲線如圖所示。處於第一象限的是正向伏安特性曲線，處於第三象限的是反向伏安特性曲線。二極體的伏安特性曲線根據理論推導，二極體的伏安特性曲線可用下式表示

式中IS為反向飽和電流，V為二極體兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數，q

為電子電荷量，T為熱力學溫度。對於室溫（相當T=300K），則有VT=26mV。

矽二極體的死區電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極體的死區電壓Vth=0.1V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區電壓或開啟電壓。當V＞0即處於正向特性區域。正向區又分為兩段：當V＞Vth時，開始出現正向電流，並按指數規律增長。(1)正向特性

當V＜0時，即處於反向特性區域。反向區也分兩個區域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性反向特性

在反向區，矽二極體和鍺二極體的特性有所不同。

矽二極體的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極體的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。

從擊穿的機理上看，矽二極體若|VBR|≥7V時,主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時,則主要是齊納擊穿。當在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度係數點。2.3.3半導體二極體的參數

半導體二極體的參數包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結電容Cj等。幾個主要的參數介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極體長期連續工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM

二極體反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。半導體二極體的參數

(3)反向電流IR:在室溫下，在規定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。矽二極體的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極體在微安(

A)級。

(4)正向壓降VF：在規定的正向電流下，二極體的正向電壓降。小電流矽二極體的正向壓降在中等電流水準下，約0.6～0.8V；鍺二極體約0.2～0.3V。(5)動態電阻rd：反映了二極體正向特性曲線斜率的倒數。顯然，rd與工作電流的大小有關，即rd=

VF/

IF2.3.4半導體二極體的溫度特性

溫度對二極體的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數規律增加，如矽二極體溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極體溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。

另外，溫度升高時，二極體的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負的溫度係數。這些可以從所示二極體的伏安特性曲線上看出。2.3.5半導體二極體的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：二極體符號：D代表P型Ge半導體二極體圖片半導體二極體圖片半導體二極體圖片2.3.6二極體電路及其分析方法

簡單的二極體電路如圖所示，由二極體、電阻和電壓源組成，其分析方法一般有兩種：圖解法、模型法（等效電路法）。IOVBRIS1.圖解法圖示電路可分為A、B兩部分。A部分的電壓與電流關係：VD=V-IRB部分的電壓與電流關係就是二極體的伏安特性。在二極體的伏安特性上畫出VD=V-IR，如圖所示：(V,0)RV(0,)QIDVD最後得出二極體兩端的電壓VD和流過二極體的電流I，如圖所示。2.模型分析法(1)二極體的大信號模型： 根據二極體伏安特性，可把它分成導通和截止兩種狀態。如圖所示，VD<0.7V截止VD>0.7V導通VD<0.2V截止VD>0.2V導通這就是二極體的大信號模型。矽管鍺管大信號模型所以二極體導通時，其上的電壓和流過它的電流可表示為：一般矽二極體正嚮導通壓降為0.6V~0.8V

鍺二極體正嚮導通壓降為0.1V~0.3V以0.7或0.2計算將引入10%的誤差。但如果V足夠大，則VD實際引入的誤差並不大。矽管鍺管如果V>>0.7V(0.3V):理想模型IDO0.7V理想二極體大信號模型0.7V小信號模型(2)二極體的小信號模型： 從二極體伏安特性上看出，二極體導通後，其電壓變化量與電流變化量之比近似於常數：此時的二極體相當於一個動態電阻，其阻值是正向特性曲線在工作點上的斜率的倒數，如圖所示。2.3.7二極體基本應用1.利用伏安特性的非線性構成（限幅電路）例1：如圖所示： D1D2vivovovi二極體基本應用|vi|<0.7V時，D1、D2截止，所以vo=vi|vi|>0.7V時，D1、D2中有一個導通，所以vo=0.7V例2：如圖所示：voviD2D1vovi二極體基本應用2.利用單向導電性構成整流和開關電路

不管輸入信號處於正或負半周，負載上得到的都是正向電壓。全波整流電路：vivoD3D4D2D1vivo二極體基本應用Va、Vb有一個是低電平（0V）：VO為低電平Va、Vb為高電平（5V）：VO為高電平所以F=A•B開關電路：Va

(A)Vb

(B)VO(F)D1D25V2.4穩壓二極體

穩壓二極體是應用在反向擊穿區的特殊矽二極體。穩壓二極體的伏安特性曲線與矽二極體的伏安特性曲線完全一樣，穩壓二極體伏安特性曲線的反向區、符號和典型應用電路如圖所示。符號應用電路伏安特性2.4.1穩壓二極體參數

從穩壓二極體的伏安特性曲線上可以確定穩壓二極體的參數。

(1)穩定電壓VZ——在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

(2)動態電阻rZ——其概念與一般二極體的動態電阻相同，只不過穩壓二極體的動態電阻是從它的反向特性上求取的。