模电 第2章 半导体二极管(3)

第二章半导体二极管及其基本电路（模电）返回第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管第二章半导体二极管及其本电路•基本要求：3、掌握二极管外特性、基本电路及分析方法、应用；4、正确理解二极管工作原理、主要参数、使用方法；1、了解PN结的形成；2、掌握以下基本概念：空穴、多子、少子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；5、掌握稳压管工作原理及使用；第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管2.1半导体的基本知识•半导体器件特点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。半导体材料：（Semiconductormaterials)ρ(Ω-cm)10+910-3导体如金属等绝缘体如橡皮、塑料等典型半导体：硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等半导体半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。2.1.1本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：1）自由电子作定向运动电子电流2）价电子递补空穴空穴电流注意：1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。2.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2.1.2N型半导体和P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。2.1.3N型半导体和P型半导体示意表示法P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管P型半导体N型半导体2.2.1PN结的形成－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区（PN结）2.2PN结的形成及特性内电场E扩散运动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。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。2.2.1PN结的形成漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以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有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。2.2.1PN结的形成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在一块本征半导体在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。PN结的形成2.2.2PN结单向导电性PNPN2.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负IF多子在外电场的作用之下通过PN结进入对方，形成较大的正向电流。PN结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN结加反向电压（反向偏置）少子在电场的作用之下，通过PN结进入对方，但少子数量很少，形成的反向电流很小。IRP接负、N接正PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。PN结正偏PN结反偏3、结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，正向导通：电阻值很小，具有较大的正向导通电流，开关闭合PN结加反向电压时，反向截止：呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，开关断开TS(1)eDvnVDiI流过PN结电流A反向饱和电流A加在PN结两端电压VVT=KT/q=26mVT=300KVD0反向截止VD0正向导通4、PN结V-I特性表示式：（二极管特性方程）发射系数(12)2.2.3PN的反向击穿（P65自学熟悉）iDOVBRD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。反向击穿段2.2.4PN结电容效应(了解)第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管2.3半导体二极管2.3.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2.3半导体二极管二极管的结构示意图符号：PN阳极阴极DmAVEIR伏安特性实验电路2.3.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V,锗0.2~0.3V。UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。反映二极管性能，是选择、使用二极管的依据。(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VBR——二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。最大反向工作电压VRM——实际工作时，为安全：VRM=VBR/2，(3)反向电流IR——在室温及规定的反向电压下的反向电流值。硅管：(nA)级；锗管：(A)级。2.3.3主要参数二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管2.4二极管的基本电路及其分析方法2.4.1半导体二极管等效模型：1理想模型：理想二极管(vD＞0)二极管导通VF=0r=0开关闭合(vD0)二极管截止iD=0r=∞开关断开2恒压降模型：(vD＞VF)二极管导通vD=VFr=0开关闭合(vDVF)二极管截止iD=0r=∞开关断开2.4.2二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.7V锗0.2V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。Eg.1简单硅二极管电路：R=10K解：分析可知二极管正偏：1理想模型：2恒压降模型：求:VDD=10V时ID及VD硅二极管电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通1、理想模型：VD=0V，UAB=－6V2、恒压降模型，VD=0.7V，UAB=－6.7VEg.2：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。1、理想模型:VD2=0V，UAB=0VEg.3:D1承受反向电压为－6V流过D2的电流为mA43122DI求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–Eg.4电路如图，(设D为理想二极管）判断二极管工作状态，并求输出电压。D导通D2导通、D1截止D2优先导通D1截止a1a2b1b2VAO=-15VVAO=0VVA0=－4V参考点ui3V，二极管导通，可看作短路uo=3Vui3V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin6tui3VEg.5限幅电路：(P80)uit6V二极管阴极电位为3VD3VRuoui++––Eg.6全波整流电路（P97题3.4.2）2.工作原理u正半周，VaVb，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。3.工作波形1.电路结构－utU2U2RLuiouo1234ab+–+–－Eg.6全波整流电路（P97题3.4.2）2.工作原理3.工作波形1.电路结构RLuiouo1234ab+–+–u正半周，VaVb，二极管1、3导通，2、4截止。u负半周，VaVb，二极管2、4导通，1、3截止。utU2U2－－第二章半导体二极管及其基本电路§2.1半导体的基本知识§2.2PN结的形成及特性§2.4二极管的基本电路及其分析方法§2.5特殊二极管§2.3二极管§2.5特殊二极管稳压二极管变容二极管光电子器件光电二极管发光二极管激光二极管利用二极管电容效应。多用于高频技术•光电二极管光电子系统的电子器件。其反向电流与照度成正比。特点：抗干扰能力强，传输信息量大、传输损耗小且工作可靠。在信号传输和存储等环节中多用。导通电流为2mA---10m