半导体与二极管

2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.2PN结的形成及特性2.1半导体的基本知识2.1.1半导体材料2.1.2半导体的共价键结构2.1.3本征半导体2.1.4杂质半导体2.1.1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。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体的特点1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。3.在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。2.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构2.1.3本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。本征激发------本征半导体中的价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。所以可用空穴的运动来代替电子的运动，因此在分析时可将空穴看成一个带正电的粒子。用来运载电荷的粒子称为载流子。半导体中空穴与电子相遇而不带电的现象称为复合。在本征半导体中，空穴和自由电子总是成对出现的，即电子和空穴的数量相等。2.1.4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.P型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位。当其它共价键上的电子在本征激发下来填补这个空位时，从而在原来的硅原子共价键上形成空穴。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。空位很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因接受电子而称为受主杂质。1.P型半导体2.N型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。从而在半导体中形成大量的自由电子。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失去电子而带上正电荷成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2.N型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/cm33.杂质对半导体导电性的影响2.2.1PN结的形成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。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: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P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别，N型区内电子很多而空穴很少，P型区内则相反，空穴很多而电子很少。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。1、扩散运动2、空间电荷区形成电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来保持的电中性被破坏了。P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。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。PN结空间电荷区，电子势能（=–qVo）发生了变化，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡，一般称为势垒，因此又把空间电荷区称为势垒区。在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电在区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。由于这个电场是由载流子扩散运动即由内部形成的，而不是外加电压形成的，因此称为内电场。显然，这个内电场的方向是阻止扩散的，因为这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反。3、内电场的形成4、扩散与漂移运动的动态平衡根据电场的方向和电子、空穴的带电极性还可以看出，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。PN结形成的动画2.2.2PN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PN结加正向电压时的导电情况在外加电场作用下，PN结的平衡状态被打破，P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，当P区空穴进入PN结后，就要和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。同样，当N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少，结果使PN结变窄。即耗尽区厚变薄，这时耗尽区中载流子增加，因而电阻减小，所以这个方向的外加电压称为正向电压或正向偏置电压。正向特点：•低电阻•大的正向扩散电流PN结内的电流便由起支配地位的扩散电流所决定，在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流IF。在这种情况下，由少数载流了形成的漂移电流，其方向与扩散电流相反，和正向电流比较，其数值很小，可忽略不计。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。反向特点：高电阻很小的反向漂移电流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)PN结V-I特性表达式其中iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V)1(/SDDTVveIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26在硅二极售PN结的两端，施加正、反向电压时，通过管子的电流可表达为上式可解释如下：（1）当二极管的PN结两端加正向电压时，电压VD为正值，当VD比VT大几倍时，式中的远大于1。这样，二极管的电流iD与电压VD成指数关系，如上图中的正向电压部分。（2）当二极管加反向电压时，VD为负值。若|VD|比VT大几倍时，指数项趋近于零。因此iD=–Is，如上图中的反向电压部分所示。可见反向饱和电流Is是个常数，不随外加反向电压的大小而变动。eTvDv2.2.3PN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。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆2.2.4PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电容示意图2.2.4PN结的电容效应(2)扩散电容CD扩散电容示意图由于PN结结电容（CB和CD）的存在，使其在高频运用时，必须考虑结电容的影响，PN结高频等产电路如图所示，图中r表示电阻，C表示结电容，包括势垒电容和扩散电容的总效果。当PN结处于正向偏置时，r为正向电阻，其数值很小，结电容较大（主要决定于扩散电容CD）。当PN结处于反向偏置时，r为正向电阻，其数值很小，结电容较大（主要决定于扩散电容CD）。当PN结处于的向偏置时，r为反向电阻，其数值较大。结电容较小（主要决定于势垒电容CB）。PN结的等效电路2.3半导体二极管2.3.1半导体二极管的结构半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管是由一根很细的金属触丝和一块半导体的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，金属与半导体结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，也不能承受高的反向电压和大的电流。面接触型或称面结型二极管的结构，由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。2.3.2二极管的V—I特性1、正向特性此时加于二极管的正向电压只有零点几伏，但相对来说流过管子的电流却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。在正向特性的超始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0.5V，锗管的Vth约为0.1，当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增长。硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.3V。2、反向特性P型半导体中的少数载流子—电子和N型半导体中的少数载流子—空穴，在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少，所以反向电流是很小的，一般硅管的反向电流比锗管小得多。3、反向击穿特性当增加反向电压时，因在一定温度条件下，少数载流子数目有限，故起始一段反向电流没有多大变化，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿。2.3.3二极管的参数一、最大整流电流IF。指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。二、最大反向工作电压UR。指二极管的使用时所允许加的最大反向电压，超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常取反向击穿电压的一半作为UR。三、反向电流IR。指二极管击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。此值与温度有密切关系，在高温运行时要特别注意。四、最高工作频率fM。主要由PN结的结电容大小决定，超过此值，二极管的单向导电性将不能很好地体现。2.4.1二极管V-I特性的建模图示表示理想二极管的V–I特性，其中的虚线表示实际二极管的V–I特性。由图可见，在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。1、理想模型2.恒压降模型当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V（Si为0.7V、Ge为0.3V）。不过这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时与结果接近。3.折线模型为了较真实地描述二极管V-I特性，认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V。rD的值，当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。4.小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT2.4.1二极管V-I特性的建模•2.5.1稳压二极管•1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性•利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(1)稳定电压VZ(2)动态电阻