模拟电子技术基础 第三章 二极管及其基本电路

3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性3.1半导体的基本知识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3.1.4杂质半导体3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。1.导体：容易导电的物体。如：铁、铜等2.绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体特点：1)在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：硅和锗都是四价元素，外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。价电子受原子核的束缚力最小。物质的性质是由价电子决定的。3.1.3本征半导体本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：1、本征半导体的共价键结构2、共价键性质共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度T=0K（-273C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对3、电子与空穴当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。空穴的移动由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴3.1.4杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。1.N型半导体3.1.4杂质半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示：磷原子核自由电子所以，N型半导体中的导电粒子有两种：自由电子—多数载流子（由两部分组成）空穴——少数载流子2.P型半导体3.1.4杂质半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图所示：硼原子核空穴P型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。3.杂质对半导体导电性的影响3.1.4杂质半导体掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3•本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质end3.2PN结的形成及特性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3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。3.2.2PN结的形成因浓度差多子扩散形成空间电荷区促使少子漂移阻止多子扩散扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场3.2.2PN结的形成当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。在一块本征半导体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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: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对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。PN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散少数载流子飘移3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时•低电阻•大的正向扩散电流iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时•高电阻•很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，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，这个电流也称为反向饱和电流。iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性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。3.2.3PN结的单向导电性(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性)1e(/SDDTVIivIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV263.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为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PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。正向电压时，载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。3.2.5PN结的电容效应(2)势垒电容CBend是由PN结的空间电荷区变化形成的。空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：lSUQCddb由于PN结宽度l随外加电压U而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。3.2.5PN结的电容效应PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。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；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。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。综上所述：3.3半导体二极管3.3.1半导体二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的主要参数3.3.1半导体二极管的结构在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、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号(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3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e(/SDDTVIiv锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性3.3.2二极管的伏安特性锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。3.3.2二极管的伏安特性锗二极管2AP15的V-I特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。3.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。3.3.3二极管的主要参数(3)反向电流IR在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安