模电第1章半导体二极管及其应用电路

第1章半导体二极管及其应用电路第1章半导体二极管及其应用电路1.1半导体的导电特性1.2PN结的形成及特性1.3二极管1.4特殊二极管第1章半导体二极管及其应用电路1.1半导体的导电特性1.1.1本征半导体及其导电特性1.1.2N型半导体1.1.3P型半导体第1章半导体二极管及其应用电路1.1半导体的导电特性1.导体：电阻率10-4·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。2.绝缘体：电阻率109·cm的物质。如橡胶、塑料等。3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变。第1章半导体二极管及其应用电路半导体具有以下特性：•(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏元件。•(2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光电器件。•(3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。第1章半导体二极管及其应用电路1.1.1本征半导体及其导电特性现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。第1章半导体二极管及其应用电路硅和锗的晶体结构四价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。第1章半导体二极管及其应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。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。价电子共价键在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。第1章半导体二极管及其应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴当温度升高或受光照时，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。T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第1章半导体二极管及其应用电路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。3.本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。第1章半导体二极管及其应用电路1.1.2N型半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的五价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。第1章半导体二极管及其应用电路本征半导体掺入五价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子电子称为多数载流子空穴称为少数载流子五价杂质原子称为施主原子。第1章半导体二极管及其应用电路1.1.3P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。三价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴第1章半导体二极管及其应用电路说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体第1章半导体二极管及其应用电路1.2PN结的形成及特性1.2.1PN结的形成1.2.2PN结的单向导电性1.2.3PN结的电容效应第1章半导体二极管及其应用电路1.2.1PN结的形成在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结PN结的形成第1章半导体二极管及其应用电路一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN第1章半导体二极管及其应用电路3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD——电压势垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反。阻挡层第1章半导体二极管及其应用电路5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几至几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压势垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。第1章半导体二极管及其应用电路总结:在一块本征半导体在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。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第1章半导体二极管及其应用电路1.2.2PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区I空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PNUR第1章半导体二极管及其应用电路形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用第1章半导体二极管及其应用电路在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第1章半导体二极管及其应用电路空间电荷区反相偏置的PN结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向URIS第1章半导体二极管及其应用电路形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结外加反向电压时的情况外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用第1章半导体二极管及其应用电路综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。第1章半导体二极管及其应用电路1.2.3PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB,二是扩散电容CD1.势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图势垒电容具有非线性，其值除了与外加电压还与结面积、半导体的介电常数等有关。第1章半导体二极管及其应用电路扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。第1章半导体二极管及其应用电路扩散电容示意图若外加正向电压不同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。第1章半导体二极管及其应用电路势垒、扩散电容都与结面积S成正比。点接触二极管的结面积很小，CB、CD都很小，只有0.5至几皮法。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CB、CD约在几皮法至200皮法。在等效电路中，CB和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即C=CB+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，C≈CD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，C≈CB。第1章半导体二极管及其应用电路1.3二极管1.3.1二极管的基本结构1.3.2二极管的伏安特性1.3.3二极管的参数、型号及选择1.3.4二极管的分析方法1.3.5二极管的应用第1章半导体二极管及其应用电路1.3.1二极管的基本结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图第1章半导体二极管及其应用电路(3)平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a第1章半导体二极管及其应用电路半导体二极管图片第1章半导体二极管及其应用电路第1章半导体二极管及其应用电路第1章半导体二极管及其应用电路在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，i=f(u)关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性击穿电压U(BR)反向特性1.3.2二极管的伏安特性导通压降:硅管0.6-0.7V锗管0.2-0.3V死区电压:当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。硅管0.5V、锗管0.1V第1章半导体二极管及其应用电路硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅管特性曲线第1章半导体二极管及其应用电路1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管在0.5V左右，锗管在0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。第1章半导体二极管及其应用电路2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和,称为反向饱和电流。二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称为击穿，对应电压称为反向击穿电压。击穿电压U(BR)3.反向击穿特性第1章半导体二极管及其应用电路雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离）通过PN结的少子获得能量大与晶体中原子碰撞使共价键的束缚电荷挣脱共价键PN结反向高场强载流子倍增效应第1章半导体二极管及其应用电路齐纳击穿：形成电子空穴对直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来PN结电场很大很大反向电流齐纳击穿需要很高的场强：2×105V/cm只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此条件——齐纳二极管（稳压管）第1章半导体二极管及其应用电路电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿——不可逆。热击穿和电击穿雪崩击穿、齐纳击穿——可逆。第1章半导体二极管及其应用电路4.伏安特性的数学表达式(二极管方程))1e(TS-UuIi从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二