四川大学模拟电子技术第三章

,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 二极管,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1.4 杂质半导体,3.1.1 半导体材料,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导体外层电子数：少于4个（易激发成为自由电子）绝缘体外层电子数：8个，处于稳定状态半导体外层电子数：4个,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。特点：在受光、热刺激或掺杂时导电能力显著改变。,3.1.2 半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图如下。,3.1.2 半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,外层电子形成8个价电子的稳定状态，导电性能很差。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,当半导体处于热力学温度0 K时，半导体中没有自由电子。完全不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,1、电子-空穴对,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而成对出现的自由电子和空穴。,2、导电的实质,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次 填充空穴来实现的。,在外电场或其他能源作用下，自由电子填补空穴的运动，产生电流。,所以，半导体材料导电的重要条件是必需出现电子空穴对。,3、导电的特点,两种载流子参与导电，自由电子数（n）=空穴数（p）外电场作用下产生电流，电流大小与载流子数目有关导电能力随温度增加显著增加,本征激发动画,电子空穴运动动画,3.1.4 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1. N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。自由电子数 空穴数。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,2. P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。自由电子数空穴数。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,3. 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,不论N型、P型半导体本身不带电（电子和原子核之间始终是平衡的），单独的P或N没有任何作用。掺入微量杂质是提高半导体导电能力的最有效方法，一百万分之一的杂质使载流子浓度增加一百万倍。,N型半导体中是否存在空穴？P型半导体中是否存在电子？N型半导体是否带负电？P型半导体是否带正电？ N型半导体与P型半导体能否相互转化？,4.问题,转化的条件：取决于杂质的浓度。,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子（多子）、少数载流子（少子）,施主杂质、受主杂质,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,3.2.2 PN结的形成,3.2.2 PN结的形成,电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，并在中间复合消失，在P区留下不能移动的带负电离子，在N区留下不能移动的带正电离子，形成空间电荷区，产生内电场。而内电场阻止多子扩散，帮助少子漂移，达到动态平衡时，PN结的宽度不再继续增加，此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 ,空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,3.2.2 PN结的形成,PN结形成动画,3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,PN结正偏动画,(2) PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流Is。,PN结反偏动画,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3.2.4 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,齐纳击穿多数出现在高浓度掺杂的特殊二极管（如稳压管）中,3.2.5 PN结的电容效应,(1) 扩散电容CD,扩散电容示意图,扩散载流子浓度差形成,理论上讲，电位不相等的导体间有电容效应存在。,(2) 势垒电容CB,正偏时，势垒区电荷增加，相当于充电反偏时，势垒区电荷减少，相当于放电,极间电容（结电容）为势垒电容和扩散电容之和。,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,3.3.1 二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(4) 二极管的代表符号,P,N,3.3.2 二极管的V-I 特性,二极管的V-I 特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的V-I 特性,正向特性的死区（门坎）电压Vth，0.1V左右（较低）反向饱和电流Is较大锗管受温度影响大，对环境温度的热稳定性差,正向特性,反向特性,反向击穿特性,3.3.2 二极管的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,正向特性的死区（门坎）电压Vth，0.5V左右（较大）反向饱和电流Is较小热稳定性较好,二极管的V-I 特性曲线可用下式表示,3.3.3 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF：最大允许通过的正向平均电流,(2) 反向击穿电压VBR：管子反向击穿时的电压值,(3) 反向电流IR：管子未击穿时的反向电流。受温度影响。,(4) 正向压降VF：硅管0.7V左右，锗管0.2V左右,(5) 极间电容Cd=CB +CD ：高频时作用明显,最大反向工作电压VR=1/2VBR,(7) 反向恢复时间TRR,(6) 动态电阻rd,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,反映了二极管正向导通到反向截止所需的时间。,*3.3.4 二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF(Vd)大约减小2 mV，即具有负的温度系数。,*3.3.5 二极管的型号,半导体二极管图片,半导体二极管图片,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,（1）理想模型,在正向偏置时，视其管压降为零，电阻为零。反向偏置时，视其电阻为无穷大。此模型用于电源电压远比二极管的管压降大时。,理想模型在数字电子技术中常采用。,当二极管导通后，其管压降视为恒定，且不随电流变化，硅管典型值为0 .7V。此模型只有在二极管电流iD1mA才是正确的。该模型应用较广泛。,（3）折线模型,（a）V-I特性 （b）电路模型,vD=Vth+rDiD,此模型将二极管的管压降看成是随着二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。电池的电压为二极管的门坎电压Vth,约为0.5V，又，当iD=1mA时，管压降为0.7V，所以 rD=(0.70.5)/1mA=200,（4）小信号模型,如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如在静态工作点Q附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rdrd=vD/iD,vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。,vs =Vmsint 时（Vm<<VDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。,过Q点的切线等效成一个微变电阻rd,即,根据,得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,则,rd 的数值可从二极管的V-I特性表达式求出：,