模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：A01 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

1、1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng) 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。 導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。intrinsic (1)摻雜效應(yīng)：在本征半導(dǎo)體中摻入少量其他元素(雜質(zhì))，可以改變和控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)

2、電類型。藉此特性可制造各種半導(dǎo)體器件；(2)熱敏效應(yīng)：溫度變化可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。藉此熱敏效應(yīng)可制造熱敏元件；(3)光敏效應(yīng)：光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，并產(chǎn)生電動(dòng)勢。藉此光電效應(yīng)可制造光電晶體管、光電耦合器和光電池等光電器件。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu), Silicon(1)T =0K(-273) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無自由電子-不導(dǎo)電。(3)本征半導(dǎo)體中，同時(shí)存在現(xiàn)象，即自由電子與空穴相碰同時(shí)消失。(2)T、光照-具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。這一過程稱為，自由電子-空穴成對出現(xiàn)。(2) 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，自由電

3、子與空穴的濃度一定且相等。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，自由電子與空穴對的濃度加大，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。注意區(qū)別：價(jià)電子與自由電子 本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子-帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。思考：為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？(3) 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。兩種載流子理解與區(qū)別：二者導(dǎo)電的本質(zhì)。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) N型半導(dǎo)體-摻入五價(jià)施主雜質(zhì)雜質(zhì)一般有兩種：五價(jià) N（電子）型；三價(jià) P（空穴）型自由電子：本征激發(fā)施主雜質(zhì)提供 -多(數(shù)載流)子空穴：本征激發(fā)產(chǎn)生 -少(數(shù)載流)子摻入五價(jià)元素雜質(zhì)的半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，自由電子濃度越高

4、，導(dǎo)電性越強(qiáng)，因此稱為電子型或N型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體以多子導(dǎo)電為主。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。(2) P型半導(dǎo)體-摻入三價(jià)受主雜質(zhì)空穴：本征激發(fā)受主雜質(zhì)提供 -多子自由電子：本征激發(fā)產(chǎn)生 -少子摻入三價(jià)元素雜質(zhì)的半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，因此稱為空穴型或P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.2 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?. 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)-在外電場作用下，載流子的定向運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)生漂移電流。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)-在濃度差(濃度梯度)作用下，載流子的定向運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)生擴(kuò)散電流。自由電子導(dǎo)電 -在外電場或濃度梯度作用下，本身的定向運(yùn)動(dòng)?？昭▽?dǎo)

5、電 -在外電場或濃度梯度作用下，價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)。注意:2. PN結(jié)的形成-雜質(zhì)補(bǔ)償方法形成濃度差 多子擴(kuò)散 復(fù)合 形成空間電荷區(qū) 內(nèi)電場 不利于多子擴(kuò)散，有利于少子漂移參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同時(shí),多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)寬度恒定，形成PN結(jié)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。漂移運(yùn)動(dòng)本征載流子濃度 本征載流子濃度 A0,常數(shù)，(Si) 3.881016cmK3/2 Eg0, 0 K時(shí)的禁帶寬度，（Si）1.21 eV k波爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 J/K=8.6310-5 eV/K 3020exp2giiEnpATkTS

6、i1.51010 cm-3Ge 2.41013 cm-雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子 熱平衡時(shí)，兩種載流子濃度的乘積等于本征濃度的平方，即 雜質(zhì)100%電離220000,nnippinpnNpnnP型型0000nDnDpApAnNpNpNnN00DnApNpNn雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度摻雜濃度，少子濃度正比于本征濃度的平方因而溫度上升時(shí)，多子濃度幾乎不變，而少子濃度迅速增大20i20/nDpiApnNnnN于是PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，由于外電源的作用，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不斷進(jìn)行，形成數(shù)值較大的從P區(qū)流向N區(qū)的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)

7、散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，且擴(kuò)散電流小于漂移電流，形成從N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。3. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?. PN結(jié)的電容特性(1) 勢壘電容CTPN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容CT。(2) 擴(kuò)散電容CDPN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容CD。JTDCCC(3) 結(jié)電容：正偏時(shí)，以擴(kuò)散電容為主；反偏時(shí)以勢壘電容為主。PN結(jié)的結(jié)電容一般數(shù)值很小，對低頻信號(hào)其作用可忽略不計(jì)，只有當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，

8、才需考慮。1.2 半導(dǎo)體二極管1. 二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)半導(dǎo)體PN結(jié)加上歐姆接觸電極、引出線和封裝管殼就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡稱二極管。二者特性差異不大。點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小結(jié)面積小，結(jié)電容小故結(jié)允許的電流小故結(jié)允許的電流小最高工作頻率高最高工作頻率高面接觸型：面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大結(jié)面積大，結(jié)電容大故結(jié)允許的電流大故結(jié)允許的電流大最高工作頻率低最高工作頻率低平面型：平面型：結(jié)面積可小、可大結(jié)面積可小、可大小的工作頻率高小的工作頻率高大的結(jié)允許的電流大大的結(jié)允許的電流大Schottky Barrier Rectifier Diode Optoelectronic devi

9、ces1. Photodiodes2. Solar cells3. LEDs4. Laser diodes1.3 半導(dǎo)體二極管2. 二極管的伏-安特性流過二極管的電流與加在二極管兩端的電壓之間的關(guān)系稱為二極管的伏安特性。二極管伏安特性曲線可分為三個(gè)區(qū)： (1)正向工作區(qū)D0u （）(2) 反向工作區(qū)(BR)D0Uu（-）(3) 擊穿區(qū)D(BR)uU（-）開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓材料材料開啟電壓開啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A1.3 半導(dǎo)體二極管二極管電流方程：DDDSST(exp1)(exp1)quu

10、iIIkTUUT26mV (室溫 T=300K) 5T198.63 10 eV/K1.6 10CkkkTUTqqq 玻而茲曼常數(shù)，絕對溫度電子電量， - 電壓溫度當(dāng)量(或熱力學(xué)電壓)溫度的電壓當(dāng)量TTkUqIS - 反向飽和電流(Si:10-9 10-15 A ; Ge: A 級)從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦?若正向電壓 ，則；若反向電壓 ，則。TTSTSeuUuUiIuUiI) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線 最大整流電流IF

11、：最大正向平均值 最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值 反向電流 IR：即IS 最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)電容為擴(kuò)散電容（CD）與勢壘電容（CT）之和。擴(kuò)散路程中電荷的積累與釋放空間電荷區(qū)寬窄的變化有電荷的積累與釋放直流參數(shù)和小信號(hào)工作時(shí)的微變參數(shù)微變參數(shù) 1. 將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，rd越小。 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直

12、流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流2. 微變等效電路1DdDDdd()ddDQQuiriu直流電阻DQDDDDQQUuRiI交流電阻rd (1)TSeDuUDiI(1)反向擊穿原因與(2)穩(wěn)壓管-特殊工藝生產(chǎn)的穩(wěn)壓管，其擊穿是可恢復(fù)性的。利用反向擊 穿后，其端電壓基本不變的特性來實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。IZm - 最小穩(wěn)定電流;如IZIZM，即PZPZM(允許值)會(huì)燒毀工作電流IZ應(yīng) IZmIZIZM 由限流電阻保證。 穩(wěn)壓性能Zr ZZZIUr主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)定電流 IZ最大功耗 PZM IZM UZ動(dòng)態(tài)電阻進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤兂蓡我粯O性的直

13、流脈動(dòng)電壓-整流。iOiDDDiODiVD=VD=0時(shí)，導(dǎo)通此時(shí)，二極管端電壓時(shí)，截止此時(shí)，二極管端電壓uuuUuUuuuu 0，；=。 0，；=。iiD2sin設(shè)二極管導(dǎo)通壓降為uUtU，電路實(shí)現(xiàn)半波整流功能。限幅電路的傳輸特性二極管限幅電路及波形圖2sinV| 3.73.73.73.73.7 iii12Oii12OOmaxi12OOminVVDVDVVDVDVVVDVDV設(shè)，二極管導(dǎo)通壓降0.7當(dāng)時(shí)，、均未導(dǎo)通，；當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通、截止，；當(dāng)時(shí)，截止、導(dǎo)通，。uUtuuuuuUuuU電路實(shí)現(xiàn)限幅和鉗位功能 【例1-1】已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ =5.1V，最小穩(wěn)定電流 IZm =5mA；最大允許

14、電流IZM=25mA ;負(fù)載電阻RL=600 。求限流電阻R的取值范圍。解：RZLZLZLR(5 25)mA/(5.1/600)A8.5mA(13.5 33.5)mAIIIIIURI；R1Z(105.1)V4.9VUUU3maxRRmin/(4.9/13.5 10 )363RUI 3minRRmax/(4.9/33.5 10 )146RUI 討論一 判斷二極管工作狀態(tài)的方法？判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。討論二1. V2V、5V、10V時(shí)二極管中的直流電流各為多少？2. 若輸入電壓的有效值為5mV，則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少？ V 較小時(shí)應(yīng)實(shí)測伏安特性，用圖解法求ID。QIDV5V時(shí)，mA5 .21A)2000.75