第一章半导体二极管

1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。本征半导体的共价键结构束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。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”。这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴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，称为空穴。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：310cm104.1锗：313cm105.2自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制1.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。小结二.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体模拟电子技术绪论.ppt杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关+N型硅表示P型硅表示小结：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。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.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的简化表示法内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+－+－N型半导体+++++－++－－++－+－－－－－－内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF(forwardcurrent)－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR(reversecurrent)+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆)1(eTSUuIi根据理论分析：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u0uUT时1eTUuTeSUuIi当u0|u||UT|时1eTUuSIi五、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN结中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+UV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。其Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCb图1.1.11（b)2.扩散电容CdQ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Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q正向电压变化时，变化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。图1.1.12PNPN结综上所述：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。1.2半导体二极管在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、面接触型和平面型图1.2.1二极管的几种外形半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝(3)平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。1.2.2二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+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7)1e(STUuIi一、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：0.2V二、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，具有负温度系数。–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩ)1(eTSUuIiD—非线性器件iu0iuRLC—线性器件Riu二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型DUuDUuUD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型ui正偏反偏-+iu导通压降二极管的V—A特性-+iuiu0二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型mA3.9K1V)7.010(I测量值9.32mA相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型RI10VE1kΩmA10K1V10I相对误差0000710032.932.9100.7V例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo+--+UIuREFRiuO解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuI＝V2REFoUumA31k1V702VV4DREFi..RUUuI－＝2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+--+UIuREFRiuO解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。+--+UIuREFRiuO二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuOuiuott二极管半波整流电路如图所示，已知ui＝5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。二极管基本应用Va、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：VO为高电平所以F=A•B开关电路：RD1D2VoVaVbVa(A)Vb(B)VO(F)D1D25V三.二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——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。(2)反向击穿电压UBR———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UBR。(3)反向电流IR——在室温下，在规定的反向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(A)级。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZ△I△UIzminIzmax正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——(2)动态