半导体二极管及其应用

第1章半导体二极管及其应用本章要点半导体基础知识PN结单向导电性半导体二极管结构、符号、伏安特性及应用特殊二极管本章难点半导体二极管伏安特性半导体二极管应用半导体器件是近代电子学的重要组成部分。只有掌握了半导体器件的结构、性能、工作原理和特点，才能正确地选择和合理使用半导体器件。半导体器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，在各个领域中得到了广泛的应用。半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，而PN结又是组成二极管和三极管及各种电子器件的基础。本章首先介绍有关半导体的基础知识，然后将重点介绍二极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及应用电路等，为后面各章的学习打下基础。1.1PN结1.1.1半导体基础知识1.半导体特性自然界中的各种物质，按其导电能力划分为：导体、绝缘体、半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。导体如金、银、铜、铝等；绝缘体如橡胶、塑料、云母、陶瓷等；典型的半导体材料则有硅、锗、硒及某些金属氧化物、硫化物等，其中，用来制造半导体器件最多的材料是硅和锗。半导体之所以用来制造半导体器件，并不在于其导电能力介于导体与绝缘体之间，而在于其独特的导电性能，主要表现在以下几个方面。(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。这里所说的“杂质”，是指某些特定的纯净的其他元素。在纯净半导体中，只要掺入极微量的杂质，导电能力就急剧增加。一个典型的数据是：如在纯净硅中，掺入百万分之模拟电子技术2一的硼，其导电能力增加约50万倍。2.本征半导体本征半导体是一种完全纯净、具有晶体结构的半导体。在温度为零开尔文(0K，相当于-273.15℃)时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动。这样本征半导体中虽然具有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体呈电中性。用来制造半导体器件的硅、锗等材料，其原子排列均为紧密的整齐的晶体点阵结构，而硅(元素序号14)或锗(元素序号28)的原子结构最外层都是四个价电子。但是，对于原子核结构而言，最外层有八个电子才是稳定结构，因此，每个原子都要争夺相邻的四个价电子，以求达到稳定状态，结果使得每个原子最外层的四个价电子都既受自身原子核的吸引，围绕自身的原子核转动，又受相邻原子核的吸引，经常出现在相邻原子的价电子轨道上。这样就形成了一种特殊的结构。从而使每个硅(锗)原子最外层形成了拥有八个共有电子的相对稳定的结构。由于每对价电子是每两个相邻原子共有的，因而将这种结构称为“共价键”结构，如图1-1所示。图1-1共价键结构“共价键结构”把相邻的原子结合在一起，由于每个原子的最外层均有八个电子，因而处于相对稳定的状态。但是，也正是由于“共价键”的特殊结构方式，使得原子最外层的共有电子不像绝缘体中被原子核束缚得那样紧。在一定温度下，当共价键中的价电子受到热激发，或从外部获得能量时，共价键中的某些价电子就可以挣脱原子核的束缚，而成为自由电子。既然有些价电子挣脱了原子核的束缚，而成为自由电子，在原来的共价键中，便留下了一些“空位”，我们称之为“空穴”，如图1-2所示。自由电子呈负电性，而失去一个价电子的硅原子则成为+1价离子，好像这个空位带有+1价电荷一样，因此空穴呈正电性。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中电子与空穴的数量总是相等的。把在热或光的作用下，本征半导体中产生电子空穴对的现象，称为本征激发，又称热激发。由于共价键中出现空位，在外电场或其他能源的作用下，吸引相邻原子中的价电子来填补空穴，当一个价电子填补空穴时，它原来的位置上又出现了新的空穴。如图1-3所示，电子由c→b→a，但仍处于束缚状态，而空位由a→b→c。为了区别于自由电子的运第1章半导体二极管及其应用3动，我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动，一般认为空穴是一种带正电荷的载流子，它所带电荷和电子相等，符号相反。由此可见，本征半导体中存在两种载流子：电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下，两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。图1-2本征激发产生电子空穴对示意图图1-3电子与空穴的移动3．杂质半导体在本征半导体中掺入不同的杂质，可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂质种类的不同，半导体可以分N型半导体(掺入五价元素杂质)和P型半导体(掺入三价元素杂质)。(1)N型半导体在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素(如磷)后，就可以成为N型半导体，如图1-4所示。由于五价的磷原子同相邻四个硅(或锗)原子组成共价键时，有一个多余的价电子不能构成共价键，这个价电子就变成了自由电子。因此在这种半导体中，自由电子数远远大于空穴数，导电以电子为主，故此类半导体亦被称为电子型半导体。模拟电子技术4(2)P型半导体在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼(或铟)等。硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位。当相邻共价键的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位而在该相邻原子中便出现一个空穴，每个硼原子都能提供一个空穴，这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子，具有导电性能。P型半导体共价键结构如图1-5所示。图1-4N型半导体共价键结构图1-5P型半导体共价键结构值得注意的是，掺杂在产生空穴的同时，并不能产生新的自由电子，只是原来的晶体本身仍会因热激发产生少量电子空穴对。掺入的三价元素杂质越多，空穴的数量越多。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子(简称“多子”)，自由电子为少数载流子(简称“少子”)。导电以空穴为主，故此类半导体又被称为空穴型半导体。1.1.2PN结1．PN结的形成PN结并不是简单地将P型和N型材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理，采用合金法或平面扩散法等半导体工艺制成的。虽然PN结的物理界面把半导体材料分为P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在N型和P型半导体的界面两侧明显地存在着电子和空穴的浓度差，此浓度差导致载流子的扩散运动：N型半导体中电子(多子)向P区扩散，这些载流子一旦越过界面，就会与P区空穴复合，在N区靠近界面处留下正离子；同理，P型半导体中空穴(多子)由于浓度差向N区扩散，与N区中电子复合，在P区靠近界面处留下负离子。伴随着这种扩散和复合运动的进行，在界面两侧附近形成一个由正离子和负离子构成的空间电荷区，如图1-6所示。空间电荷区内存在着由N区指向P区的电场，这个电场称为内建电场，该内建电场阻止两区多子的扩散，促进少子的漂移。显然，半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾的两个方面。随着多子扩散的进行，空间电荷区内的离子数增多，内建电场增强；与此同时，内建电场的增强有利于少子的漂移，漂移电流增大，最终当漂移电流和扩散电流相等时，达到动态平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区，通常将其称为PN结，如图1-7所示。这时，再没有净的电流流过PN结，也不会有净的电荷迁移。第1章半导体二极管及其应用5图1-6P型半导体与N型半导体的交界面图1-7多子的扩散与空间电荷区的形成2．PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压所谓PN结加正向电压，也可称为正向偏置，是指将PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，如图1-8所示。这时，有外加电场后，外电场的方向刚好与PN结内电场的方向相反。在外加电场作用下，PN结内部扩散与漂移的平衡被打破，而且由于外电场的作用，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子都要向PN结移动。P区的空穴进入PN结后，将和原来PN结中的一部分正离子中和，其结果是使N区的空间电荷量减少，最终结果是使PN结空间电荷区变窄。空间电荷区的变窄，意味着阻挡层的厚度变薄，内电场进一步被减弱，它对多子扩散的阻力减小，P区与N区中能越过PN结的多数载流子数目大大增加，形成了一个扩散电流。而正向偏置下的PN结将相当于一个数值很小的电阻，可视为PN结正向导通。这种情况下，由少数载流子形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，但数值很小，常常可忽略不计。(2)PN结加反向电压PN结加反向电压，是指将PN结的P区接电源负极，将其N区接电源正极，如图1-9所示。图1-8PN结加正向电压图1-9PN结加反向电压显然，此时外电场的方向与内电场的方向相同，在这一外电场作用下，P区中的多子空穴与N区中的多子电子都将进一步离开PN结，使阻挡层的空间电荷量增加。空间电荷区的变宽，意味着阻挡层厚度加大，使P区和N区的多数载流子很难越过PN结，不能再模拟电子技术6形成扩散电流。另一方面，由于外电场增强了内电场，将使少数载流子的漂移运动更容易进行。在这种情况下，漂移成矛盾的主要方面，而且形成一个反向漂移电流。由于少子的浓度低，漂移的数量小，这个反向漂移电流也很小，一般为微安数量级。而整个PN结表现为一个很大的电阻，可视为PN结反向截止。这里，有一点需要特别说明的是，反向漂移电流具有明显的饱和性，这是因为，少数载流子是由本征激发所产生的，其数值取决于温度，而与外加电压几乎无关。在一定温度下，只要外加电压所产生的电场足以把这些少子都吸引过来，形成漂移电流，电压即使再增加，也不能使载流子的数目增多，电流的数值则趋于稳定，因而，常常将这一电流称为反向饱和电流。也正因为如此，反向饱和电流虽然数值不大，但它受温度的影响很大，在实际应用中必须考虑这一点。综上所述，可得出结论：PN结的正向电阻很小，可视为正向导通；反向电阻很大，可视为反向截止。这就是PN结的单向导电性。1.2半导体二极管半导体二极管由一个PN结加上电极引线和管壳构成。P型区引出的电极称为阳极，N型区引出的电极称为阴极。半导体二极管在电子电路中应用颇多，本节对二极管作专门介绍。1.2.1基本结构、种类与符号1.结构与符号二极管的结构主要可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管如图1-10(a)所示，它由一根很细的金属丝与半导体的表面相接触，经过特殊工艺在接触点上形成PN结。其特点是PN结的面积小，极间电容小，但不能承受高的反向电压和大电流。它的高频性能好，适用于高频检波和数字电路中的开关及小电流整流。例如，2AP1点接触型二极管，其最大整流电流为16mA，最高工作频率可达150MHz。面接触型二极管如图1-10(b)所示。它的PN结采用合金法或扩散法制成。PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大，工作频率受到影响。面接触型二极管适用于低频和大功率整流。例如，2CP1为面接触型二极管，最大整流电流可达400mA，而最高工作频率只有3kHz。半导体二极管的电路符号标志如图1-11所示。第1章半导体二极管及其应用7图1-10二极管的不同结构图1-11二极管符号2.分类讨论二极管的分类可以从以下几个不同角度进行。按照二极管的结构分，可分为点接触型和面接触型两大类。按照二极管的材料，可分为硅二极管和锗二极管。按照二极管的用途，则可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、光电二极管及变容二极管等。1.2.2伏安特性半导体二极管的伏安特性指的是流过二极管的电流与二极管两端电压的关系曲线。这一关系曲线如图1-12所示，可分为三部分进行分析。(1)正向特性：对应于图1-12曲线的第①段，为二极管伏安特性的正向特性部分。这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.6～0.7V,锗管约为0.2～0.3V。但是，在正向特性的起始部分，即开始加在二极管两端的外加电压较小时，外电场还不足以克服PN结的内电场，这时的正向电流几乎为零，二极管仍然呈现较大的电阻，好像有一个门槛。只