模擬電子技術(shù)-二極管課件

第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

物質(zhì)導(dǎo)電:

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體:電阻率為10-3～109cm。

常見(jiàn)半導(dǎo)體:硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等。1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體。

純度99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

單晶體形態(tài)——例如：“單晶硅”。

(3)兩種載流子

1）電子：價(jià)電子。定向運(yùn)動(dòng)形成了電子流，帶負(fù)電；

2）空穴：價(jià)電子離開(kāi)后所留下的空位。它的運(yùn)動(dòng)方向與電子流相反，帶正電。（動(dòng)畫2-2）圖2.03空穴在晶格中的移動(dòng)2

雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素——雜質(zhì)，所形成的半導(dǎo)體。兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體雜質(zhì)：一般是三價(jià)或五價(jià)元素（硼，磷）。摻雜目的：改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。

N型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體。

(1）N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素磷形成。

N型半導(dǎo)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。五價(jià)雜質(zhì)原子，因提供自由電子成為帶正電荷的正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。圖2.04。(2)P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素硼形成。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

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(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。如圖2.05所示。P型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體2.1.3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響：

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3結(jié)論：百萬(wàn)分之一的摻雜，導(dǎo)電性能提高百萬(wàn)倍！

將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體合在一起。2.2PN結(jié)的形成及特性（動(dòng)畫2-3）圖2.06PN結(jié)的形成過(guò)程1、PN結(jié)的形成

將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體合在一起。2.2PN結(jié)的形成及特性（動(dòng)畫2-3）圖2.06PN結(jié)的形成過(guò)程1、PN結(jié)的形成

濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。交界面形成空間電荷區(qū)——PN結(jié)。E內(nèi)2

PN結(jié)的導(dǎo)電特性

(1)PN結(jié)正向特性圖2.07PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況及特性

（動(dòng)畫2-4）PN結(jié)的正向伏安特性正向?qū)?/p>

(2)PN結(jié)反向?qū)щ娞匦?/p>

圖2.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況及特性

（動(dòng)畫2-5）反向截止

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏，PN結(jié)導(dǎo)電；

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏，PN結(jié)不導(dǎo)電。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?（3）PN結(jié)的導(dǎo)電特性3PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢(shì)壘電容CB

它由空間電荷區(qū)的離子薄層形成。當(dāng)PN結(jié)上壓降變化時(shí)，該薄層的厚度也隨之改變，這相當(dāng)于PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量在變，猶如電容的充放電。圖2.09勢(shì)壘電容示意圖－＋(2)擴(kuò)散電容CDCD是由多子擴(kuò)散后，在結(jié)附近形成的多子濃度梯度分布而形成的，濃度梯度的變化，相當(dāng)與電容的充放電。

圖2.10擴(kuò)散電容示意圖+-Cd(3)電容效應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允艿接绊?。Cd＝CD＋CB（幾個(gè)～十幾個(gè)pf）1二極管的結(jié)構(gòu)類型

PN結(jié)加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型圖2.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖2.3半導(dǎo)體二極管

圖2.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管常用于集成電路工藝中。PN結(jié)面積可大可小。(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（4）、二極管的符號(hào)2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線第一象限:正向特性；第三象限：反向特性。圖2.12二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線的近似表達(dá)。IS：反向飽和電流；V：二極管兩端的電壓；VT=kT/q室溫下VT=26mV。(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

1)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，二極管截止;正向區(qū)又分為兩段：2)V＞Vth時(shí)，正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

1)當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，出現(xiàn)反向飽和電流IS,很小，基本不隨反向電壓的變化而變化。2)當(dāng)V<VBR時(shí)，反向電流急增——反向擊穿。VBR稱為反向擊穿電壓。3半導(dǎo)體二極管的參數(shù)幾個(gè)主要參數(shù)：

(1)最大整流電流IF——二極管連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)的最大電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

(3)反向電流IR硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。

(4)正向壓降VF硅二極管的正向壓降約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。4半導(dǎo)體二極管的溫度特性溫度與反向電流呈指數(shù)規(guī)律。硅管每增加8℃，反向電流翻一翻；鍺管每增加12℃，反向電流翻一翻。每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，具有負(fù)的溫度系數(shù)。（1）反向情形（2）正向情形

圖2.13溫度對(duì)二極管特性的影響5、二極管電路分析（1）理想模型

正向?qū)▔航礦D=0。反向截止IR=0（2）恒壓模型正向?qū)▔航礦D=0.7V，反向截止IR=0。（3）折線模型正向?qū)▔航担篤D=0.5V+ID*rD。0.7V0.5V（4）電路舉例1）整流電路2）限幅電路10v5V10v~5VVo10v5V~Vo

試畫出輸出Vo的波形。

試畫出輸出Vo的波形。6、穩(wěn)壓(齊納)二極管

穩(wěn)壓二極管是工作在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。(b)

圖2.15穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(hào)(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(c)用于穩(wěn)定它兩端的輸出電壓。穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓VZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ

(3)最大耗散功率

PZM

最大功率損耗取決于PN結(jié)的散熱等條件。反向時(shí)PN結(jié)的功耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZmax。

(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin對(duì)應(yīng)VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。VzminViVL=VZIZVLIRVRIZRRLVLViVZI