半導(dǎo)體二極管-半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識

第一章半導(dǎo)體二極管§1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體1．導(dǎo)電材料分類：導(dǎo)體：電的良導(dǎo)體，如純金屬及其合金、酸堿鹽水溶液等。絕緣體：電的不良導(dǎo)體，如陶瓷、橡膠等。半導(dǎo)體：

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺、砷化鎵等。2．本征半導(dǎo)體：純凈的晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。（均為4價元素）本征半導(dǎo)體：四價元素外層四個電子原子實或慣性核為原子核和內(nèi)層電子組成價電子為相鄰兩原子所共有+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激發(fā)電子空穴成對產(chǎn)生自由電子（帶負電-e)空穴（帶正電+e)

3.本征激發(fā)：4.載流子：自由運動的帶電粒子：電子帶負電：

－e=-1.6×10-19c,

空穴帶正電:

e=1.6×10-19c.

+4+4+4+4+4+4+4+4+4復(fù)合（電子空穴對成對消失）5.復(fù)合：

自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。E外電子電流:IN空穴電流:IP6.漂移：自由電子在電場作用下沿電場的反方向定向運動形成電子電流IN。共有電子的遞補運動，相當(dāng)于空穴沿電場的方向運動形成空穴電流IP。共有電子遞補運動

7.

兩種載流子:電子(自由電子)和空穴。

8.

兩種載流子的運動：自由電子(在共價鍵以外)的運動；空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動。結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中參入微量雜質(zhì)元素可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，參雜后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)參入雜質(zhì)的不同可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子空穴為多數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子2.雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能:主要取決于多子濃度，而多子濃度主要取決于摻雜濃度，其值較大且穩(wěn)定，因此導(dǎo)電性能得到明顯提高。少子濃度主要與本征激發(fā)有關(guān)，對溫度敏感，溫度升高，其值增大。電子電流空穴電流三、PN結(jié)1.PN結(jié)（PNJunction）的形成P區(qū)和N區(qū)交界面處形成的區(qū)域稱為PN結(jié)。形成原因主要有以下三個：(1)載流子的濃度差引起多子的擴散(2)復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)(3)擴散和漂移達到動態(tài)平衡

擴散運動是濃度差決定的自然現(xiàn)象；漂移運動則是電場作用下產(chǎn)生的。

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）正向偏置：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位，簡稱PN結(jié)正偏。PN結(jié)正偏:外電場使多子向PN結(jié)移動，中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子-I少子≈I多子PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)且呈低阻特性。（2）反向偏置：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位，簡稱PN結(jié)反偏。PN結(jié)反偏：外電場使多子子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子≈0PN結(jié)處于截至狀態(tài)且呈高阻特性。結(jié)論：正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。3.PN結(jié)的擊穿特性（5）齊納擊穿：由高濃度摻雜材料制成的PN結(jié)中耗盡區(qū)寬度很窄，即使反向電壓不高也容易在很窄的耗盡區(qū)中形成很強的電場，將價電子直接從共價鍵中拉出來產(chǎn)生電子-空穴對，致使反向電流急劇增加，這種擊穿稱為齊納擊穿。（1）反向擊穿：當(dāng)加于PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定值時，二極管的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。（2）電擊穿：反向擊穿后，只要反向電流和反向電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率，PN結(jié)一般不會損壞。若反向電壓下降到擊穿電壓以下后，其性能可恢復(fù)到原有情況，即這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿；（3）熱擊穿：若反向擊穿電流過大，則會導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫過高而燒壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。（4）雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠大時，PN結(jié)的內(nèi)電場加強，使少子漂移速度加快，動能增大，通過空間電荷區(qū)與原子相撞，產(chǎn)生很多的新電子-空穴對，這些新產(chǎn)生的電子又會去撞擊更多的原子，這種作用如同雪崩一樣，使電流急劇增加，這種擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，因為這種PN結(jié)的阻擋層寬，因碰撞而電離的機會就多。一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型

構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：陽極（正極）陰極（負極）分類：1.根據(jù)材料

硅二極管、鍺二極管2.根據(jù)結(jié)構(gòu)

點接觸型、面接觸型、平面型1．二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管常見外型圖：§1.2二極管的特性及主要參數(shù)

二極管由一個PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。二極管電流ID隨外加于二極管兩端的電壓uD的變化規(guī)律

，稱為二極管的伏安特性曲線。二、二極管的伏安特性1．二極管的伏安特性曲線2.PN結(jié)的伏安方程：3.二極管的伏安特性a.當(dāng)外加正向電壓小于Uth時，外電場不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場對多子擴散運動造成的阻力，正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻，好像有一個門坎，因此將電壓Uth稱為門檻電壓(又稱死區(qū)電壓)。在室溫下硅管Uth≈0.5V，鍺管Uth≈0.1V。b.當(dāng)外加正向電壓大于Uth后，PN結(jié)的內(nèi)電場大為削弱，二極管的電流隨外加電壓增加而顯著增大，電流與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系.（1）正向特性：導(dǎo)通電壓:正向壓降:硅管約為0.6～0.8V;鍺管約為0.1～0.3V;用UD(ｏn)表示。uD＜UD(ｏn)時：iD很小，二極管截止；工程上一般?。汗韫躑D(ｏn)=0.7V，鍺管UD(ｏn)=0.2V。a.反向擊穿類型：

電擊穿—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。

熱擊穿—PN結(jié)燒毀。（2）反向特性：二極管兩端加上反向電壓時，反向飽和電流IS很?。ㄊ覝叵?，小功率硅管的反向飽和電流IS小于0.1μA。（3）反向擊穿特性二極管兩端反向電壓超過U(BR)時，反向電流IR隨反向電壓的增大而急劇增大，

U(BR)稱為反向擊穿電壓。b.反向擊穿原因：齊納擊穿(Zener)：反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。(擊穿電壓<6V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。(4)溫度對二極管特性的影響

溫度對二極管的特性有顯著影響。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降約減小2-2.5mV。三、二極管的主要參數(shù)IF—最大整流電流(最大正向平均電流)

URM—最高反向工作電壓，為U(BR)/2IR—反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?

fM—最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?影響工作頻率的原因—PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)論：1.低頻時，因結(jié)電容很小，對PN結(jié)影響很小。高頻時，因容抗減小，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。一、理想二極管及二極管特性的折線近似理想二極管：正向偏置時導(dǎo)通，電壓降為零；反向偏置時截止，電流為零；反向擊穿電壓為無窮大。將二極管的伏安特性曲線用兩段直線來逼近，稱為二極管特性曲線折線近似。1.理想二極管模型2.二極管的恒壓降模型忽略二極管的導(dǎo)通電阻rD的二極管特性曲線和等效電路,稱為二極管恒壓降模型.如下圖所示.§1.3二極管電路的分析方法

3.二極管的折線近似模型

外加電壓遠大于二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)時,忽略UD(on)的影響,將二極管的特性曲線用從坐標原點出發(fā)的兩段折線逼近,稱為二極管的折線模型.4.直流電阻：QIDUD5.交流電阻：例1、二極管為硅管，其中R=3k，試分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=3V和VDD=10V時IO和UO的值。

解：1、VDD=3V

（1）理想：UO=VDD=3V；IO

=VDD/R=3/3=1(mA)

（2）恒壓降：UO=VDD–UD(on)=30.7=2.3(V)

IO

=UO/R=2.3/3=0.77(mA)

2、VDD=10V

（1）理想:

IO=VDD/R=10/3=3.33(mA)

（2）恒壓降:

UO=VDD–UD(on)

=100.7=9.3(V)

IO=UO/R=9.3/3=3.1(mA)

結(jié)論：VDD大，采用理想模型；VDD小，采用恒壓降模型。例2

試求電路中電流I1、I2、IO及輸出電壓UO的值。

解：假設(shè)二極管斷開

UP=15V

輸入電壓理想二極管輸出電壓UOVAVBV1V20V0V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通0V0V3V正偏導(dǎo)通反偏截止0V3V0V反偏截止正偏導(dǎo)通0V3V3V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通3V歸納：1、理想二極管：

正偏導(dǎo)通，電壓降為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；反偏截止，電流為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開。2、恒壓降模型：

正偏電壓>UD(on)時導(dǎo)通，等效為恒壓源UD(on)否則截止，相當(dāng)于二極管支路斷開。一、穩(wěn)壓二極管

1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性:反向擊穿區(qū)，且為工作區(qū)。正向運用：相當(dāng)于導(dǎo)通二極管VZ=0.7V反向運用：VZ=V反，起穩(wěn)壓作用§1.4特殊二極管

2、穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ。穩(wěn)定電壓指流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓值。（2）穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)定電流是穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓工作時的參考電流值，通常為工作電壓等于UZ時所對應(yīng)的電流值。當(dāng)工作電流低于IZ時，穩(wěn)壓效果變差，若低于IZmin時，穩(wěn)壓管將失去穩(wěn)壓作用。(3)最大耗散功率PZM和最大工作電流IZM。PZM和IZM是為了保證管子不被熱擊穿而規(guī)定的極限參數(shù)，由管子允許的最高結(jié)溫決定，PZM=IZMUZ。(4)動態(tài)電阻rZ。動態(tài)電阻是穩(wěn)壓范圍內(nèi)電壓變化量與相應(yīng)的電流變化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ值很小，約幾歐到幾十歐。rZ越小，即反向擊穿特性越陡，穩(wěn)壓性能就越好。(5)電壓溫度系數(shù)CT。電壓溫度系數(shù)指溫度每增加1℃時，穩(wěn)定電壓的相對變化量，即CT=ΔUZ/UZΔT×100%例1.試分析如圖所示簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，其中R為限流電阻。分析：

IR=IZ+IL

UO=UI–IRR

當(dāng)UI波動時（RL不變）IZUOUIIRUO增減相消當(dāng)RL變化時（UI不變）RLUOIZIRUO減增相消例2、圖中信號電源電壓為正弦電壓，設(shè)二極管是理想二極管，試畫出電路的輸出電壓。解：ui=Uimsinωtui正半周，VD導(dǎo)通，uo=uiUi負半周，VD截止，uo=0例3、圖中信號電源電壓為正弦電壓ui=5sinωt(V)，二極管為理想二極管，試畫出電路的輸出電壓。解（1）ui正半周：V2截止，ui<3V時V1不導(dǎo)通，uo=ui;ui>3V時V1導(dǎo)通，uo=3V.(2)ui負半周：V1截止，︱ui︱<3V時