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

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第1頁/共32頁

電子線路由有源電子器件和電阻、電容、電感等元件組成,半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電子線路的核心部件。本章首先闡述半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性和PN結(jié)的形成機理,再討論半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性主要參數(shù)和等效電路模型，并列舉了半導(dǎo)體二極管典型應(yīng)用電路。

本章簡介1.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.3

半導(dǎo)體二極管1.2

PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?.4

半導(dǎo)體二極管的典型應(yīng)用1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第2頁/共32頁1.1.1本征半導(dǎo)體1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體及載流子的運動

1、N型半導(dǎo)體

2、P型半導(dǎo)體

3、半導(dǎo)體中載流子的運動本節(jié)內(nèi)容1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第3頁/共32頁1.1.1本征半導(dǎo)體無雜質(zhì)本征半導(dǎo)體是純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。(在T=0K時，相當于絕緣體)。什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，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，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅（Si）、鍺（Ge）等，均為四價元素（其原子最外層電子一般為4個，受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間）。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第4頁/共32頁導(dǎo)電特性：(1)摻雜效應(yīng)：在本征半導(dǎo)體(純凈的且晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體，在T=0K時，相當于絕緣體。)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)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。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第5頁/共32頁(1)本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(1)T=0K(-273℃)共價鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無自由電子----不導(dǎo)電(3)復(fù)合：自由電子填補空穴，自由電子--空穴成對消失。一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合運動達到動態(tài)平衡，自由電子與空穴的濃度一定且相等，可按式(1-1)計算。溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，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。(2)本征激發(fā)（熱激發(fā)）——T↑、光照，電子-空穴成對出現(xiàn)：具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴。+4+4價電子自由電子空穴+4+4+4注意區(qū)別：價電子與自由電子1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第6頁/共32頁

本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目少，導(dǎo)電性差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。熱力學溫度0K時不導(dǎo)電。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？(2)、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。兩種載流子

本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子----帶負電的自由電子和帶正電的空穴。外加電場作用下，兩種載流子均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。理解與區(qū)別：二者導(dǎo)電的本質(zhì)。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第7頁/共32頁自由電子：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，導(dǎo)電性越強，因此稱為電子型或N型半導(dǎo)體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體----載流子數(shù)↑↑雜質(zhì)一般有兩種:五價(磷)→N(電子)型；三價(銦)→P(空穴)型1.N型半導(dǎo)體----摻入五價施主雜質(zhì)1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第8頁/共32頁1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體----載流子數(shù)↑↑2.P型半導(dǎo)體----摻入三價受主雜質(zhì)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，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控?？昭ǎ罕菊骷ぐl(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，因此稱為空穴型或P型半導(dǎo)體。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第9頁/共32頁

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。

N型半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，其多數(shù)載流子是電子，摻入雜質(zhì)越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強。那么空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，其多數(shù)載流子是空穴，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強。那么空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第10頁/共32頁3、

半導(dǎo)體中載流子的運動注意:自由電子導(dǎo)電----是在外電場或濃度梯度作用下，本身的定向運動空穴導(dǎo)電----是在外電場或濃度梯度作用下，價電子依次填補空穴的運動。載流子濃度差(濃度梯度)作用下，載流子的定向運動產(chǎn)生擴散電流{電子流外電場作用下，載流子定向運動產(chǎn)生漂移電流空穴流{}擴散運動漂移運動1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第11頁/共32頁1.2.1PN結(jié)的形成1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)正偏導(dǎo)通

2.PN結(jié)反偏截止

1.2.3PN結(jié)的電容特性

1.勢壘電容

2.擴散電容本節(jié)內(nèi)容1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?2頁/共32頁P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)1.2.1PN結(jié)的形成←E0UΦxx-xPxN(b)OUΦ

為接觸電位差，是當

E0

恒定時，在PN結(jié)中產(chǎn)生的電位差濃度差→多子擴散→復(fù)合多子擴散少子漂移動態(tài)平衡時空間電荷區(qū)寬度恒定\∕PN

結(jié)形成:內(nèi)電場↑

→少子漂移↑

→空間電荷↓→內(nèi)電場↓→多子擴散↑→內(nèi)電場↑→少子漂移↑不利于多子擴散有利于少子漂移{→內(nèi)電場→形成空間電荷區(qū)←E1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?3頁/共32頁PN結(jié)的形成

因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動(有利于漂移運動的進行)。1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?4頁/共32頁1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉娏鞔?反偏電流小PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。1.正偏導(dǎo)通U→E外與E0反向→PN結(jié)厚度↓→電位差(UΦ-U

)↓→有利多子擴散，不利少子漂移，擴散電流遠大于漂移電流,在PN結(jié)中形成從P區(qū)流向N區(qū)的數(shù)值較大的正向電流IF，二極管導(dǎo)通。

1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?5頁/共32頁1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉娏鞔?反偏電流小U→E外與E0同向→PN結(jié)厚度↑→電位差(UΦ-U

)↑→不利于多子擴散，利于少子漂移，擴散電流少于漂移電流,但少子數(shù)很少，反向電流很小,二極截止。

PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。2.反偏截止

IR≈IS

(幾乎恒定)-------反向飽和電流

1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?6頁/共32頁1.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，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.擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴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，其等效電容稱為擴散電容CD。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！反偏時：CT>>CD

，CJ≈CT正偏時：CD>>CT

，CJ≈CD1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦缘?7頁/共32頁1.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與符號1.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性

1.3.3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)

1.3.4半導(dǎo)體二極管的小信號等效電路模型本節(jié)內(nèi)容1.3

半導(dǎo)體二極管第18頁/共32頁1.3.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與符號將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小(<1pF)，結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高(>100MHz)(用于高頻和小功率整流)面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低(一般僅作為整流管)平面型：結(jié)面積可小、可大；小的工作頻率高，作為數(shù)字電路中的開關(guān)管，大的結(jié)允許的電流大，用于大功率整流常見外形1.3

半導(dǎo)體二極管第19頁/共32頁1.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性426810123iD(mA)

(μA)SiGe0.20.40.60.8-20-40-600-U(BR)-U(BR)IsUD(th)uD(V)擊穿電壓反向飽和電流開啟電壓溫度的電壓當量常溫下材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5~0.6V0.6~0.8V1μA以下鍺Ge0.1~0.2V0.1~0.3V幾十μA1.3

半導(dǎo)體二極管第20頁/共32頁1.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性

分為三個工作區(qū):426810123iD(mA)

(μA)SiGe0.20.40.60.8-20-40-600uD(V)-U(BR)-U(BR)Is圖1-12二極管伏安特性曲線UD(th)正向工作區(qū)(2)反向工作區(qū)(3)擊穿區(qū)1.3

半導(dǎo)體二極管第21頁/共32頁1.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性

從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

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1.3

半導(dǎo)體二極管第22頁/共32頁1.3.3半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：允許通過的最大正向平均電流

最大反向工作電壓UR：二極管在使用時所允許的最大反向電壓(瞬時值)反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：由PN結(jié)電容決定的頻率參數(shù)

直流電阻交流電阻（動態(tài)電阻、微變電阻）IDQ↑、UDQ↑→RD↓

rd↓→非線性1.3

半導(dǎo)體二極管第23頁/共32頁理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.3.4半導(dǎo)體二極管的等效電路導(dǎo)通時i與u成線性關(guān)系(1)理想模型(2)恒壓降模型(3)折線模型適用于電源電壓遠大于二極管的管壓降只有當二極管的電流iD≥1mA才是正確的二極管的導(dǎo)通電壓隨其電流而變這些模型用于直流分析或交流輸入信號幅度較大的電路（如整流、限幅）1.3

半導(dǎo)體二極管第24頁/共32頁(4)小信號等效電路模型Q越高，rd越小。ui=0時直流電源作用1.3

半導(dǎo)體二極管第25頁/共32頁(1)電路符號與伏安特性

由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變,實現(xiàn)穩(wěn)壓。(2)主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ最小穩(wěn)定電流IZm最大功耗PZM＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ1.3.5穩(wěn)壓管-?ˉ穩(wěn)壓性能ZrIZ<IZm，VS穩(wěn)壓性能差I(lǐng)Z>IZM，即PZ>PZM,VS會燒毀。最大允許電流IZM

工作電流IZ應(yīng)

IZm≤IZ≤IZM----由限流電阻保證穩(wěn)壓管應(yīng)用注意事項：(1)選取穩(wěn)壓值UZ=UO，且VS與RL并聯(lián)；(2)VS

反偏，且UI>UZ(一般UI≥1.5UZ)；(3)穩(wěn)壓電路由限流電阻R與VS

串聯(lián)構(gòu)成。1.3

半導(dǎo)體二極管第26頁/共32頁應(yīng)用----并聯(lián)型穩(wěn)壓電路UImin～UImax

ILmax～ILminRLmin～RLmax