模擬電子基礎第四康華光第二章

2半導體二極管及其基本電路2.1半導體的基本知識2.3半導體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法2.5特殊二極管2.2PN結(jié)的形成及特性現(xiàn)在是1頁\一共有46頁\編輯于星期三2.1半導體的基本知識

半導體材料

半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征半導體

雜質(zhì)半導體現(xiàn)在是2頁\一共有46頁\編輯于星期三

半導體材料一、物體的導電特性根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。半導體：介于導體與絕緣體之間，如：典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。現(xiàn)在是3頁\一共有46頁\編輯于星期三二、半導體的特點1、光敏性和熱敏性:2、摻雜性：現(xiàn)在是4頁\一共有46頁\編輯于星期三本征半導體一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個?，F(xiàn)在是5頁\一共有46頁\編輯于星期三本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：現(xiàn)在是6頁\一共有46頁\編輯于星期三硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子現(xiàn)在是7頁\一共有46頁\編輯于星期三共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4現(xiàn)在是8頁\一共有46頁\編輯于星期三二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴現(xiàn)在是9頁\一共有46頁\編輯于星期三+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子現(xiàn)在是10頁\一共有46頁\編輯于星期三2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴?，F(xiàn)在是11頁\一共有46頁\編輯于星期三

本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。現(xiàn)在是12頁\一共有46頁\編輯于星期三空穴的移動現(xiàn)在是13頁\一共有46頁\編輯于星期三溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。2.空穴移動產(chǎn)生的電流?，F(xiàn)在是14頁\一共有46頁\編輯于星期三

雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。

N型半導體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導體。現(xiàn)在是15頁\一共有46頁\編輯于星期三

1.N型半導體因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)?，F(xiàn)在是16頁\一共有46頁\編輯于星期三

2.P型半導體因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)?，F(xiàn)在是17頁\一共有46頁\編輯于星期三本征半導體、雜質(zhì)半導體

本節(jié)中的有關概念自由電子、空穴N型半導體、P型半導體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)現(xiàn)在是18頁\一共有46頁\編輯于星期三2.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)在是19頁\一共有46頁\編輯于星期三

2.2.1PN結(jié)的形成圖2.2.1PN結(jié)的形成現(xiàn)在是20頁\一共有46頁\編輯于星期三PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴散運動載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U散即阻礙擴散運動同時促進少子向?qū)Ψ狡萍创龠M了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態(tài)平衡3現(xiàn)在是21頁\一共有46頁\編輯于星期三

在一塊本征半導體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)對于P型半導體和N型半導體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層?，F(xiàn)在是22頁\一共有46頁\編輯于星期三

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流PN結(jié)的伏安特性現(xiàn)在是23頁\一共有46頁\編輯于星期三

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。(2)PN結(jié)加反向電壓時

高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)的伏安特性現(xiàn)在是24頁\一共有46頁\編輯于星期三小結(jié)：

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴，F(xiàn)在是25頁\一共有46頁\編輯于星期三

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）現(xiàn)在是26頁\一共有46頁\編輯于星期三

PN結(jié)的反向擊穿當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆現(xiàn)在是27頁\一共有46頁\編輯于星期三2.3半導體二極管

半導體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的參數(shù)現(xiàn)在是28頁\一共有46頁\編輯于星期三

半導體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)在是29頁\一共有46頁\編輯于星期三(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號現(xiàn)在是30頁\一共有46頁\編輯于星期三半導體二極管圖片附錄現(xiàn)在是31頁\一共有46頁\編輯于星期三半導體二極管圖片附錄現(xiàn)在是32頁\一共有46頁\編輯于星期三半導體二極管圖片附錄現(xiàn)在是33頁\一共有46頁\編輯于星期三

二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性現(xiàn)在是34頁\一共有46頁\編輯于星期三

二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB現(xiàn)在是35頁\一共有46頁\編輯于星期三

2.4.2應用舉例開關電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O為基準電位，既O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。練習：P602.4.3(b)(c)(d)現(xiàn)在是36頁\一共有46頁\編輯于星期三小結(jié)半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物體。具有一系列特殊的性能，如摻雜、光照和溫度都可以改變半導體的導電性能。利用這些性能可制作成具有各種特性的半導體器件。PN結(jié)是構(gòu)成半導體器件的基礎，具有單向?qū)щ娦?、非線性電阻特性、電容效應、擊穿穩(wěn)壓特性。當PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)導通，呈現(xiàn)低阻特性。當PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高阻特性?，F(xiàn)在是37頁\一共有46頁\編輯于星期三晶體二極管實際上就是一個PN結(jié)，描述二極管的性能常用二極管的伏安特性，可用二極管的電流方程來描述即二極管兩端的電壓和流過的電流滿足I=Is(eU/UT-1).硅管：當UD>0.7V時，二極管導通，導通后，UD=0.7V鍺管：當UD>0.3V時，二極管導通，導通后，UD=0.3V穩(wěn)壓管是一種應用很廣的特殊類型的二極管，工作區(qū)在反向擊穿區(qū)?？梢蕴峁┮粋€穩(wěn)定的電壓。使用時注意加限流電阻。晶體二極管基本用途是整流穩(wěn)壓和限幅。半導體光電器件分光敏器件和發(fā)光器件，可實現(xiàn)光—電、電—光轉(zhuǎn)換。光電二極管應在反壓下工作，而發(fā)光二極管應在正偏電壓下工作。小結(jié)現(xiàn)在是38頁\一共有46頁\編輯于星期三2.5特殊體二極管

穩(wěn)壓二極管

變?nèi)荻O管

光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管現(xiàn)在是39頁\一共有46頁\編輯于星期三2.5.1穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。現(xiàn)在是40頁\一共有46頁\編輯于星期三(1)穩(wěn)定電壓VZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。(2)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1穩(wěn)壓二極管現(xiàn)在是41頁\一共有46頁\編輯于星期三2.5.1穩(wěn)壓二極管3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZma