模电二极管及其基本电路.

GuilinUniversityofElectronicTechnology电子技术基础A（模拟部分）3：二极管电路2/105半导体基本知识3.1PN结形成及特性3.2半导体二极管特性3.3二极管电路分析方法3.4特殊二极管3.53/1053.1半导体基本知识3.1.1.半导体材料3.1.2.半导体的共价键结构3.1.3.本征半导体、空穴及其导电作用3.1.4.杂质半导体4/1053.1半导体基本知识3.1.1半导体材料导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。5/1053.1半导体基本知识3.1.1半导体材料半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。6/1053.1半导体基本知识3.1.2半导体的共价键结构通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用得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。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。GeSi7/1053.1半导体基本知识3.1.2半导体的共价键结构硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体3D结构：8/1053.1半导体基本知识3.1.2半导体的共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子9/1053.1半导体基本知识3.1.2半导体的共价键结构共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，故本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+410/1053.1半导体基本知识在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，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。3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴11/1053.1半导体基本知识3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用1.载流子、自由电子和空穴自由电子空穴束缚电子+4+4+4+412/1053.1半导体基本知识+4+4+4+43.1.3本征半导体、空穴及其导电作用2.本征半导体的导电机理在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。13/1053.1半导体基本知识3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用2.本征半导体的导电机理温度越高，载流子浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。14/1053.1半导体基本知识在本征半导体中掺入某些微量杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。3.1.4杂质半导体P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为“空穴半导体”。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为“电子半导体”。15/1053.1半导体基本知识3.1.4杂质半导体1.N型半导体在硅或锗晶体中，掺入少量五价元素磷或锑，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必多出一个电子，该电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。16/1053.1半导体基本知识3.1.4杂质半导体1.N型半导体多余电子磷原子A.由施主原子提供电子，浓度与施主原子相同B.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度本征半导体中载流子浓度，故自由电子浓度空穴浓度。自由电子称多数载流子（多子），空穴称少数载流子（少子）。+4+4+5+417/1053.1半导体基本知识3.1.4杂质半导体2.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素，如硼或铟，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。该空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，故称受主原子。18/1053.1半导体基本知识3.1.4杂质半导体2.P型半导体空穴硼原子A.由受主原子提供空穴，浓度与受主原子相同B.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度本征半导体中载流子浓度，故空穴浓度自由电子浓度。空穴称多数载流子（多子），自由电子称少数载流子（少子）。+4+4+3+419/1053.1半导体基本知识3.1.4杂质半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.杂质半导体的示意表示法P型半导体N型半导体20/1053.2PN结形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应21/1053.2PN结形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散1.漂移由于热能激发，半导体（SC）内的载流子将做随机的无定向运动，但任意方向的平均速度为0，故无电流存在。当SC外加电场，电子则逆电场移动，空穴则顺电场移动，形成电流。电场作用下导致载流子运动称为“漂移”。Si材料中，电子运动的速度约为空穴运动速度的3倍，电子导电器件优于空穴导电器件。22/1053.2PN结形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散2.扩散基于载流子浓度差异和随机热运动的速度，载流子由高浓度区域向低浓度区域运动，称为“扩散”，从而形成扩散电流。若无外来超量载流子的注入或电场的作用，载流子浓度最终趋于均匀直至扩散电流为0。23/1053.2PN结形成及特性3.2.2PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。24/1053.2PN结形成及特性3.2.2PN结的形成P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。25/1053.2PN结形成及特性3.2.2PN结的形成P型半导体N型半导体扩散运动内电场E漂移运动扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变26/1053.2PN结形成及特性3.2.2PN结的形成空间电荷区N型区P型区电位VV027/1053.2PN结形成及特性3.2.2PN结的形成1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:28/1053.2PN结形成及特性0.偏置的概念3.2.3PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。29/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性1.PN结正向偏置RE内电场外电场变薄内电场被削弱，多子的扩散加强并能够形成较大的扩散电流。30/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性1.PN结正向偏置PN结正偏时的导电情况•低电阻•大的正向扩散电流PN结的正偏伏安特性iD/mAUD/VO1.00.50.51.031/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性2.PN结反向偏置变厚内电场外电场内电场被加强，多子扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小反向电流。RE32/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性2.PN结反向偏置•高电阻•很小的反向漂移电流PN结反偏时的导电情况iD/mAUD/VO1.00.50.51.01.0DSiI33/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性2.PN结反向偏置•高电阻•很小的反向漂移电流PN结反偏时的导电情况iD/mAUD/VO1.00.50.51.01.0DSiI在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度为一定，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，此电流也称反向饱和电流。34/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性2.PN结正、反向偏置总结PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。35/1053.2PN结形成及特性3.2.3PN结的单向导电性3.PN结V-I特性表达式其中：DT/DS(1)vViIeIS：反向饱和电流VT：温度的电压当量在常温下（T=300K）T0.026V=26mVkTVqiD/mAvD/VO1.00.50.51.01.0DSiI36/1053.2PN结形成及特性3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定值时，反向电流突然快增，此现象称PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆iD/mAUD/VO1.00.50.51.0BRV37/1053.2PN结形成及特性3.2.5PN结的电容效应1.势垒电容CB形成机理：势垒区指积累空间电荷区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷变化（厚薄等），此所表现出的电容是势垒电容。势垒电容示意图PNE-+PN“介质”38/1053.2PN结形成及特性3.2.5PN结的电容效应2.扩散电容CD为形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子/电子在P区有浓度差，越近PN结浓度越大，即在P区有电子积累。同理，在N区有空穴积累。正向电流大则积累电荷多。这样产生的电容即扩散为CDERPN扩散电容示意图xpnnp39/1053.2PN结形成及特性3.2.5PN结的电容效应3.等效电路势垒电容CB在正偏和反偏时均不能忽略。PN结反偏时，由于载流子数目很少，扩散电容CD可忽略，总等效电容以势垒电容CB为主；PN结正偏时，载流子数目多，扩散电容CD远大于势垒电容CB，此时，总等效电容以势垒电容CD为主；PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应Crd40/1053.3半导体二极管特性3.3.1半导体二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的参数41/1053.3半导体二极管特性在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。3.3.1半导体二极管的结构42/1053.3半导体二极管特性在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。3.3.1半导体二极管的结构43/1053.3半导体二极管特性1.点接触型二极管3.3.1半导体二极管的结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2.面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线44/1053.3半导体二极管特