重庆大学模电唐治德版第6章半导体二极管及其应用电路

1、，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，6.2 PN结的形成和特性，半导体分为本征半导体，N型半导体和P型半导体。半导体材料导体和绝缘体之间具有导电性的材料称为半导体。半导体材料的电学性质对外部因素如光、热、电和磁的变化非常敏感，并且这种材料的导电性可以通过在半导体材料中掺杂少量杂质来控制。正是通过利用半导体材料的这些特性，可以制造具有各种功能的半导体器件。本征半导体锗：其在地壳中的含量为0.0007%，高于金、银和铂。锗单晶可用作晶体管，是第一代晶体管材料。本征半导体，硅：地壳中硅的含量是除氧以外最多的元素。地壳的主要部

2、分由硅质岩层组成，这些层几乎完全由二氧化硅和各种硅酸盐组成。硅是一种半导体材料，可以用来制造半导体器件和集成电路。6.1.1本征半导体简化了模型。因此，当绝对温度为零(即0 K，相当于-273)并且没有外部激励时，本征半导体没有自由电子，并且像绝缘体一样不导电。本征半导体具有纯化学成分的半导体。它在物理结构上是单晶。在室温下，只有少数价电子由于热运动而获得足够的能量，脱离共价键而成为自由电子(称为热激发)，并在相应的共价键中留下空穴。自由电子和空穴总是相互伴随，成对出现，称为电子空穴对。空穴相当于带正电荷的粒子，其电荷与电子相同。在电场作用下能形成电流的带电粒子叫做载流子，所以电子和空穴都是载

3、流子。硅原子形成晶格结构，即使电离，它们也不能作定向运动来形成电流，而电流不是载流子。除了热激发产生的电子-空穴对，光也能激发电子-空穴对，这反过来影响本征半导体的导电性。根据掺杂杂质的性质，分为氮型半导体和磷型半导体，统称为杂质半导体。6.1.2氮型半导体，如果在硅(或锗)晶体中掺杂少量五价元素，如磷，硅晶体中某些位置的硅原子将被磷原子取代。杂质元素电离成带正电的离子。正离子通过共价键与晶格结合，不能定向运动形成电流。在掺杂施主杂质元素的半导体中，自由电子是多数载流子，称为“多载流子”，空穴是少数载流子，称为“少数载流子”。被称为电子半导体或n型半导体。6.1.3磷型半导体，当少量三价元素如

4、硼或铝掺杂到硅(或锗)晶体中时，硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子取代。空穴是多数载流子，电子是少数载流子。它被称为空穴型半导体或P型半导体，6.2结的形成和特性，而N型半导体或P型半导体本身的导电性没有方向性，也就是说，它对电流的流动方向没有选择性。p型半导体和N型半导体通过一定的掺杂工艺制作在同一个硅片上，在两个半导体的界面上形成PN结。PN结对电流的流向有选择性，这被称为PN结的单向导电性。6 . 2 . 1pn结的形成、扩散运动：不同浓度差异引起的粒子转移。耗尽区、势垒区和空间电荷区：靠近界面，空穴和电子相遇并重新结合，载流子消失，出现由不动的带电离子组成的空间电荷区。漂移运动：少数载流

5、子在电场作用下的定向运动形成漂移电流。6 . 2 . 2pn结的单向导电性，1。加上直流电压，电源的正极连接，加上一个小的直流电压，可以产生相当大的正向电流，为了避免烧坏PN结，电路应该串联一个电阻R来限制电流。2.施加反向电压，电源的正极连接到N区，电源的负极连接到P区，称为PN结反向偏置。当PN结被反向偏置时，内部电场在与外部电场相同的方向上被加强，这加宽了空间电荷区域，阻碍了许多载流子的扩散，并且有利于少数载流子的漂移。因为少数民族儿童的数量很少，反向电流也很小。此外，在一定温度下，少数载流子浓度也是一定的，这导致反向电流在一定范围内基本上不随施加的电压而变化。这个特性被称为反向电流的饱

6、和特性。反向饱和电流IS，PN结的3伏安特性，为指数函数：电流和电压的参考方向为从p区到n区，反向饱和电流小于10nA(1nA=10-9A)。VT是温度等效电压。VT与温度的关系如下：t是热力学温度(0K=-273)，q(=1.610-9C)是电荷，k(=1.3810-23 J/K)是玻尔兹曼常数。室温下(温度=27=300千)，电压=26毫伏。PN结的伏安特性曲线：死区、正向导通区、反向截止区，6 . 2 . 3pn结的电容效应、电荷的空间积累和耗散是电容效应。1.势垒电容，当PN结正向偏置时，空间电荷面积变窄，电荷量减少；当PN结反向偏置时，空间电荷区变宽，电荷量增加。PN结空间电荷区电荷

7、积累和耗散的等效电容称为势垒电容，表示为Cb。扩散电容，当施加直流电压时，p区的空穴通过耗尽区扩散到n区的边界，成为n区的少数载流子；n区中的电子扩散通过耗尽区到达p区的边界，并成为p区中的少数载流子。因此，大量电子(少数载流子)累积(存储)在P区，大量空穴(少数载流子)存储在N区，它们统称为存储电荷(或不平衡少数载流子)。正向电流改变时，存储的电荷也改变，这相当于电容元件的充电和放电，其等效电容称为扩散电容，记录为Cd。PN结的总等效结电容是势垒电容和扩散电容之和，即PN结的反向击穿、反向截止面积和反向击穿面积。当反向电压达到一定值时，反向电流急剧上升，这称为反向击穿。对应于反向击穿的反向电

8、压称为反向击穿电压，并记录为VBR。PN结反向击穿的机理可分为齐纳击穿和雪崩击穿。当掺杂浓度较高，耗尽层宽度较窄时，在小的反向电压作用下，形成一个强的内部电场(2107伏/米)，直接从原子的共价键中“拉”出价电子，产生大量的电子-空穴对，反向电流急剧增加。这种击穿被称为“齐纳击穿”。当掺杂浓度低时，耗尽层宽度宽，内部电场小，并且不会发生齐纳击穿。然而，当反向电压足够大时，内部电场使电子从P区的漂移速度不断增加，并获得足够的动能来撞击共价键中的价电子，从而获得足够的能量来摆脱共价键的束缚，产生电子-空穴对，这称为雪崩击穿。反向截止区、反向击穿区、雪崩击穿和齐纳击穿统称为电击穿。电击穿是可逆的，只

9、要反向电压降低，就可以恢复到原来的状态。然而，在电击穿之后，如果没有适当的限流措施，PN结将消耗大量的功率，并且由于高电流和高电压而产生热量，这将由于过电压而对PN结造成永久性的损坏，6.3.2二极管的伏安特性，硅二极管2CP10，锗二极管2AP15，1。二极管作用于直流电压的正向特性：伏安特性曲线，死区，正向导通区，Vth，Vth:阈值电压或死区电压，硅管的Vth约为0.5V，锗管的Vth约为0.1v，von:导通电压，硅管的Von为0.60.8V，通常取固定值0.7V；锗管的Von为0.20.3v，通常固定在0.2V，二极管的伏安特性为6.3.2，硅二极管2CP10的伏安特性，锗二极管2A

10、P15的伏安特性，二极管作用反向电压的反向特性：伏安特性曲线，没有PN结反向击穿。死区、正向传导区、Vth、硅二极管为0.1A(微安)，锗二极管为几十微安。反向截止区、反向击穿区、二极管的6.3.2伏安特性、硅二极管2CP10的伏安特性、锗二极管2AP15的伏安特性。反向击穿特性：死区，正向传导区，Vth，反向截止区，反向击穿区，对应于二极管PN结反向击穿(电击穿)。4.二极管的温度特性。当环境温度升高时，热量激发半导体的少数载流子，这使得二极管的正向特性向左移动，而反向特性向下移动。在室温附近，正向压降降低22.5毫伏；温度每升高1度。当温度上升10度时，反向电流加倍。6.3.3二极管的主要

11、参数，1最大平均整流电流中频，中频指二极管长时间使用时允许通过的最大正向平均电流。最大反向工作电压VR，VR是二极管允许的最大反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半。为了安全运行，实际工作电压应小于20V。3反向电流IR，IR是没有反向击穿的二极管的反向电流，大约等于PN结的反向饱和电流。红外线受温度影响很大。也就是说，随着温度的升高，红外线也随之升高。电极间电容Cj或最高工作频率fm，电极间电容Cj包括二极管的PN结电容和电极引线电容。6.4二极管电路分析法，二极管的伏安特性近似为PN结的伏安特性：6.4.1图解法，例6.1已知二极管的伏安特性曲线如图(a)中粗实线所示，试求图(b)中电路中

12、二极管的电流和电压。已知二极管的伏安特性曲线如图(a)中粗实线所示。试着找出图(b)中电路中二极管的电流和电压。解：(毫安)由电路得出，上式中单位为毫安，单位为伏。DC负载线与二极管特性曲线的交点Q(VDQ，IDQ)即为解，即：由于电路只有DC电压源，电路中的电流和电压都是直流，不随时间变化，这就是所谓的静态。q点称为二极管的静态工作点。(b)、解：DC负载线与二极管伏安特性曲线的交点为静态工作点，解为直线与纵轴的截距为1.2mA，斜率与DC负载线相同，如图中直线所示。二极管伏安特性曲线的交点为点A，解为：当，时，直线与纵轴的截距为0.8mA，斜率与DC载重线的斜率相同，如图6.4.3中的直线

13、所示。与二极管伏安特性曲线的交点为b点。解决方法是，总的来说，二极管的电流和电压分别为33，360，6.4.2。小信号模型法用于求解非线性元件静态运行附近的电流和电压的交流分量。让二极管静态工作点q的坐标为(VDQ，IDQ)。静态工作点的二极管电流差为：在电路中，微型元件是交流电。因此，用交流电流和交流电压代替它，得到：在静态工作点附近，二极管的交流电流与交流电压成正比，其特性为3336由于DC电源的端电压是固定的，交流电流通过DC电源引起的端电压变化为零，相当于交流通道对交流电流短路。在例6.2中已经计算出二极管的静态电流IDQ=0.85毫安，那么，从图(b)中的电路来看，与例6.2相比，交

14、流电流误差较小，但交流电压误差较大。主要原因是图解法的绘图精度不高。当信号频率小于二极管的最高工作频率时，PN结的电容效应不明显，二极管相当于一个动态电阻。当信号频率高于二极管的最高工作频率时，PN结具有明显的电容效应。二极管的小信号模型被修改为与动态电阻并联的PN结电容。二极管的低频小信号模型，二极管的高频小信号模型，6.4.3分段线性模型法，二极管的分段线性模型包括理想模型、恒压降模型和折线模型。理想模型，(d)反向偏置模型，(a)伏安特性近似，(b)代表性符号，以及(c)正向偏置模型。当实际二极管所在电路中的电压远远大于正向导通电压时(通常两者之比大于10)，可以采用理想的二极管模型。恒

15、定电压降模型：伏安特性相当于理想二极管和DC电压源冯的串联。低功率硅管的Von为0.60.8 v，通常取0.7 v的固定值；低功率锗管的Von为0.20.3v，通常固定在0.2V。当实际二极管电路的总电阻(不包括二极管)远大于二极管的导通电阻(通常两者之比大于10)时，可以采用恒压降模型。的伏安特性相当于一个理想的二极管、一个DC电压源Vth和一个串联电阻rD。硅管的Vth约为0.5V，锗管的Vth约为0.1V；rD被称为导通电阻。如果对应于二极管导通电压的电流为Ion，那么导通电阻rD约为：当实际二极管所在电路的总电阻(不包括二极管)等于导通电阻(通常两者之比小于10)时，可以采用虚线模型。

16、例6.4已知二极管的伏安特性曲线如图(a)中粗实线所示。尝试使用分段线性模型计算图(b)中二极管的电流和电压，并比较误差。从图中可以看出，二极管是一个硅管，承受直流电压。(1)采用理想模型进行计算。例如，Q的坐标是(0.75，0.85)。与图解法的结果相比，电流的相对误差较大。这是因为环路电压(5V)与二极管导通电压(0.7V)之比小于10，因此在本例中不应使用理想模型。恒定电压降模型用于计算。例6.4已知二极管的伏安特性曲线如图(a)中粗实线所示。尝试使用分段线性模型计算图(b)中二极管的电流和电压，并比较误差。从图中可以看出，二极管是一个硅管，承受直流电压。Q的坐标是(0.75，0.85)。与图解法的结果相比，电流的相对误差为，电流误差是可以接受的。原因是回路电阻(5k)与二极管导通电阻(0.25k，见下文)之比大于10，因此在本例中采用恒定电压降模型可以获得准确的结果。例6.4已知二极管的伏安特性曲线如图(a)中粗实线所示。尝试使用分段线性模型计算图(b)中二极管的电流和电压，并比较误差。从图中可以看出，二极管是一个硅管，承受直流电压。Q的坐标是(0.75，0.85)。3.利用虚线模型，从伏安特性曲线可以看