第二章晶体二极管

2.1半导体物理基础知识硅（Si）锗（Ge）砷化镓（GaAs）＋4(a)＋32(b)＋4＋14简化模型硅和锗的原子结构模型＋4＋4＋4＋4共价键共价键中的两个电子A(a)(b)价电子硅和锗共价键结构原子晶阵四面体结构一本征半导体(IntrinsicSemiconductors)完全纯净,结构完整的半导体晶体。T=0K（–273℃），本征半导体中没有可移动的带电粒子（载流子），不能导电，相当于绝缘体。1、本征激发T↑（或光照）→价电子获得能量→挣脱共价键束缚→自由电子→共价键中留下空位（空穴）空穴带正电能移动（价电子填补空位的运动）载流子本征激发→产生两种载流子（自由）电子空穴特征：成对出现，数目相等。复合：本征激发逆过程（电子空穴相遇→释放能量→成对消失）2、热平衡载流子浓度niT一定时，本征激发和复合达到动态平衡，此时载流子浓度ni是一定的。ni=p0=n0p0热平衡空穴浓度n0热平衡电子浓度ni是温度的函数。T↑→ni↑↑在室温（T=300K）时，硅的ni≈1.5×1010cm-3，锗的ni≈2.4×1013cm-3硅的原子密度为4.96×1022cm-3，ni仅为三万亿分之一。问题：本征半导体导电能力很低。二、杂质半导体（DopedSemiconductor）掺入一定量的杂质元素，导电能力显著增加。1、N型半导体掺入五价元素（磷），形成多电子、少空穴的杂质半导体。+4+4+5+4多余电子磷原子多数载流子（多子）：电子少数载流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0≈Nd（Nd＞＞ni）施主杂质（Donor）二、杂质半导体（DopedSemiconductor）掺入一定量的杂质元素，导电能力显著增加。1、N型半导体掺入五价元素（磷），形成多电子、少空穴的杂质半导体。+4+4+5+4自由电子磷原子多数载流子（多子）：电子少数载流子（少子）：空穴n0p0=ni2n0=Nd+p0≈Nd（Nd＞＞ni）施主杂质（Donor）2、P型半导体掺入三价元素（硼），形成多空穴、少电子的杂质半导体。多数载流子（多子）：空穴少数载流子（少子）：电子+4+4+3+4硼原子受主杂质（Acceptor）p0=Na+n0≈Na（Na＞＞ni）结论：①多子的浓度由杂质浓度决定；②少子的浓度与温度有关；③半导体器件温度特性差的根源2、P型半导体掺入三价元素（硼），形成多空穴、少电子的杂质半导体。多数载流子（多子）：空穴少数载流子（少子）：电子+4+4+3+4空穴硼原子受主杂质（Acceptor）p0=Na+n0≈Na（Na＞＞ni）结论：①多子的浓度由杂质浓度决定；②少子的浓度与温度有关；③半导体器件温度特性差的根源三、漂移和扩散（两种导电机理）1、漂移运动：载流子在电场的作用下的定向运动。漂移运动产生的电流——漂移电流（DriftCurrent）2、扩散运动：由于载流子浓度分布不均匀而产生的运动。扩散运动产生的电流——扩散电流（DiffusionCurrent）小结关键词：载流子目标：增加载流子（增加导电能力）主线：本征半导体杂质半导体P型：多空穴p0≈NaN型：多电子n0≈Ndni=p0=n0扩散运动载流子的运动实现导电漂移运动2.2PN结（半导体器件最基本单元）一、PN结形成PN(a)初始状态;(b)平衡状态;(c)电位分布一边是P型半导体，一边是N型半导体，交界面处形成的特殊结构——PN结载流子浓度差很大→多子扩散运动（ID）→交界面处形成空间电荷区（PN结）→内电场→阻止多子扩散运动，少子产生漂移运动（IT方向与ID相反）→达到动态平衡（ID=IT）总电流为零→PN结宽度一定P区N区P区N区耗尽层空间电荷区内建电场(a)(b)(c)VBITID内建电位差VB2lnidaTBnNNVVqkTVT热电压室温mVVT26硅VB=0.5~0.7V锗VB≈0.2~0.3VT↑→VB↓(负温度系数)-2.5mV/℃二、PN结的伏安特性PN结在不同的运用状态下表现的特性不同，掌握这些特性是理解和使用晶体二极管、三极管的重要依据。1、正向特性（正向偏置）P区N区未加偏压时的耗尽层加正偏压时的耗尽层未加偏压时的电位分布V-V电位合成电场(a)(b)+V-RVBB外电压与内电场方向相反→PN结电位差↓→PN结宽度↓→总电场↓→破坏原来的平衡→扩散加剧，漂移减弱→形成较大的正向电流2、反向特性（反向偏置）未加偏压时耗尽层加反偏压时耗尽层电位-+VV+V合成电场(a)(b)VBRB外电压与内电场方向相同→PN结电位差↑→PN结宽度↑→总电场↑→破坏原来的平衡→阻止扩散，加剧漂移→形成非常小的反向电流（不计）IS：反向饱和电流，几乎与外加电压大小无关硅IS≈（10-9~10-16）A锗IS≈（10-6~10-8）AIS是温度敏感的参数T↑→IS↑PN反向运用3、伏安特性根据理论分析,二极管的电流与端电压存在如下关系:)1(TVVSeII①正偏且（或V＞100mV）上式简化为：TVVTVVSeII②反偏且时，TVVSIIvi0TTV(BR)PN结的伏安特性工程上定义：导通电压，用VD(on)表示，认为VVD(on)时，PN结正向导通，I有明显数值，而VVD(on)时，I很小，PN结截止。硅PN结：VD(on)=0.7V锗PN结：VD(on)=0.25V4、温度特性T↑→少子↑→IS↑→正向电流↑等价为：T↑→VD(on）↓(－2.5mV/℃)最高工作温度：硅为（150~200）℃锗为（75~100）℃vi0TTV(BR)三、PN结的击穿特性当反向电压超过V（BR）后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义V（BR）为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。1轻掺杂的PN结，加反向电压→耗尽区较宽→少子漂移通过耗尽区时被加速→动能增大→当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高动能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞→将其撞出共价键→产生新的电子、空穴对→新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对→载流子数目倍增→反向电流剧增——碰撞电离2重掺杂的PN结→耗尽区很窄→不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场→反向电压大到一定值→强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键→产生大量电子、空穴对→使反向电流急剧增大→场致激发PN结，V（BR）6V时为雪崩击穿；V（BR）6V时为齐纳击穿；V（BR）在6V左右时，两种击穿都有。3、V（BR）的温度特性雪崩击穿电压是正温度系数T↑→V(BR)↑齐纳击穿电压是负温度系数T↑→V(BR)↓击穿电压6V左右时，相应温度系数趋近零VZOivAB反向IZminIZmax正向+-+-4、稳压二极管（稳压管）主要参数如下:(1)稳定电压VZ(2)稳定电流IZ最小稳定电流IZmin最大稳定电流IZmax四、PN结的电容特性电容特性：电荷量随电压变化的特性。VQC1、势垒电容CTPN结两端电压变化→空间电荷数变化2、扩散电容CD扩散过程中，载流子积累的数量，随外加电压而变化。N区耗尽区P区x0x0Lnnp0②①ΔQnnp(0)npP区少子浓度分布曲线势垒电容和扩散电容都是非线性电容3、PN结电容由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD正偏时以CD为主，Cj≈CD，其值通常为几十至几千pF；反偏时以CT为主，Cj≈CT，其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。变容二极管符号4、变容二极管（变容管）PN结反偏时，呈高阻状态，近似开路，PN结为较理想的电容器小结关键词：PN结主线：PN结的特性结论：1、PN结是非线性电阻器件→单向导电2、PN结反向击穿→稳压管→稳压3、PN结的结电容→变容管→非线性电容器（高频电路中应用）2.3晶体二极管电路的分析方法晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。PN正极负极(a)负极正极(b)一、晶体二极管模型1、数学模型2、曲线模型vi0TTV(BR))1(TVVSeIIVI0CVD(on)BB0A1A3(a)(b)12VD(on)RDV≥VD(on)VVD(on)A23、简化电路模型（1）折线模型(A1BC)（2）恒压模型（A2BC）（3）理想模型(A3B0C)二极管特性的折线近似及电路模型(c)12VD(on)V≥VD(on)VVD(on)(d)12V≥0V0恒压模型理想模型4、小信号电路模型Q（Quiescentpoint）静态工作点0VDvIDV(a)iQ1Q20v(b)iQ∆i二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD；(b)交流电阻rj交流电阻rj：二极管在工作点附近电压微变量与电流微变量之比,即IVrjQ小信号电路模型——交流小电阻用来计算叠加在直流（Q点）上的微小交流电压或电流的响应。二极管的直流电阻QQDIVR与静态工作点有关QQTjImVIVr26TQQVVTSjVVSVIeVIreIITT1)1(与静态工作点有关交流电阻的求法：（1）图解法：Q点切线斜率的倒数。（2）rj的数值可以从二极管的伏安特性表达式中得出二、二极管主要参数1、最大整流电流IFIF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用2、最大反向工作电压VRMVRM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取V(BR)的一半作为VRM3、反向电流IRIR是二极管未击穿时的反向电流，IR愈小，二极管的单向导电性愈好，IR对温度非常敏感。三、二极管电路分析方法KVL:D的伏安特性+-VDDIRa+-V0VQVDDVQIQVDDR(a)(b)bIDIRVVDDVfI1、图解分析法（GraphicalAnalysis）利用二极管曲线模型，特性曲线与管外电路方程（负载线）的交点Q，即为所求静态工作点（IQ，VQ）2、简化分析法利用简化电路模型当时,D导通,电路模型如右图DQonDQDonDDDQRIVVRRVVI,通常R＞＞RD，RD可忽略,D为恒压模型+-VDDIQRa+-VQbRDVD(on))(onDDDVVonDQonDDDQVVRVVI,3、小信号分析法(小信号工作状态)电路如图(a),小信号等效电路：只考虑交流信号作用+-∆VDD∆IRa+-∆Vbrj(b)+-VDDiRa+-V(a)bD∆VDD+-。，试求VVtVkRmAIDDQ)(1002sin,10,93.0,2.5)(1002sin330)(93.026mVVmVtrRrVVIVrjjDDQTj满足小信号模型成立条件。小结关键词：二极管模型目标：二极管电路分析主线：曲线模型→图解分析法（在特性曲线上作负载线）简化电路模型→简化分析法（估算）工作条件：小信号工作信号源信号（交流信号）相对于偏置（直流）是微变量→对信号源（交流信号）的作用二极管用小信号模型→小信号分析法2.4晶体二极管的应用一、整流（利用单向导电性）将交流电变为单极性电压，称为整流。图为二极管半波整流电路。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波，正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，vo=vi；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，vo=0。ttvo0vi0(b)Dvi＋－vo＋－RL(a)二、稳压电路利用稳压二极管可以构成稳压电路和限幅电路。稳压电路如图所示。图中VI为有波动的输入电压，并满足VIVZ。R为限流电阻，RL为负载。VZVI＋－Vo＋－RRLILIZ三、限幅电路限幅电路是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路。限幅电路的传输特性如图。vI0VILvoVomaxVominVIHIHILVV下门限（LowerThreshold）上门限（UpperThreshold）IOIHIILAvvVvVminOOIL