第3章半导体二极管及其基本应用电路

AnalogElectronics第3章半导体二极管及其基本应用电路本章重点1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。本章讨论的问题：1为什么采用半导体材料制作电子器件？2.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？3.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？AnalogElectronics3.1半导体的基础知识3.1.1本征半导体1.导体、半导体和绝缘体导体：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，如橡胶、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。AnalogElectronics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。热敏性和光敏性掺杂性AnalogElectronics+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。价电子共价键图3.1.1本征半导体结构示意图2.本征半导体的晶体结构AnalogElectronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4图3.1.2本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴T在常温下，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。3.本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）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。AnalogElectronics本征半导体的导电原理+4+4+4+4在电场的作用下，一方面，自由电子将产生定向移动，形成电子电流，另一方面，价电子将按一定的方向依次填补空穴，其效果相当于空穴向相反的方向产生定向移动，形成空穴电流，因此，空穴可看作是一种载流子。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。空穴可看成带正电的载流子。AnalogElectronics温度越高，载流子的浓度越高。因此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的外部因素，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。AnalogElectronics4、本征半导体中载流子的浓度本征激发：本征半导体因受激发而产生自由电子和空穴对的现象。复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失的现象。动态平衡：在一定的温度下，单位时间内本征激发产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等，本征半导体中载流子的浓度一定。AnalogElectronics1.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和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。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。小结：AnalogElectronics3.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体1.N(Negative)型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5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)。AnalogElectronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图3.1.3N型半导体空穴浓度少于电子浓度，即np。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。AnalogElectronics二、P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3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。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图3.1.4P型半导体AnalogElectronics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。4.杂质半导体总体上保持电中性。3.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型半导体图杂质半导体的简化表示法AnalogElectronics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结图PN结的形成3.1.3PN结AnalogElectronics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。——耗尽层。PN1.PN结的形成AnalogElectronics3).空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho——电位壁垒；——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AnalogElectronics5).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，总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定，形成PN结。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PNPN结AnalogElectronics2、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态PN结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耗尽层VRI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。图3.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？AnalogElectronics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结外加反向电压时处于截止状态(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；耗尽层PN外电场方向内电场方向VRISAnalogElectronics耗尽层PN外电场方向内电场方向VRIS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IS；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。AnalogElectronics耗尽层图3.1.7PN结加反向电压时截止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VRISAnalogElectronics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。综上所述：可见，PN结具有单向导电性。AnalogElectronics)1e(STUuIiIS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV3.PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为)1e(SkTquIiAnalogElectronics4.PN结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图1.1.10PN结的伏安特性反向击穿齐纳击穿雪崩击穿AnalogElectronics5.PN结的电容效应当PN结上的电压发生变化时，储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容(1).势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+UVAnalogElectronics2.扩散电容Cd是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pN)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与耗尽层的交界处当电压加大，np(或pN)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。正向电压变化时，载流子的变化是电荷积累变化过程，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。PNPN结AnalogElectronics综上所述：PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。AnalogElectronics3.2半导体二极管1.二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图3.2.1二极管的几种外形2.按工作频率区分：有高频管和低频管。3.按功率区分：有大功率管和小功率管。4.按用途区分：有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。AnalogElectronics1.点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图3.2.1半导体二极管的几种常见结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。AnalogElectronics3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，用于大功率整流和开关电路中。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4二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极aD阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型AnalogElectronics3.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7V)1e(STUuIi1.伏安特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2VAnalogElectronics2.温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感。–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加AnalogElectronics3.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常是击穿电压U（BR）的一半。0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)AnalogElectronics3.2.3二极管的主要参数3.反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流。IR与温度有关，越小越好4.最高工作频率fM二极管正常工作时允许通过的交流信号的最高频率,超过此值,二极管的单向导电性将不能很好地体现。0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)AnalogElectronics3.2.4二极管的等效电路1.伏安特性的折线化及等效电路（实线为折线化）正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反