模电全套幻灯片2

3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 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,内容 各种电子线路最重要的组成部分是半导体器件。本章讨论半导体的特性和PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。 要求 熟练掌握二极管及稳压管的特性、参数，二极管基本电路及分析方法；正确理解PN结单向导电性能，PN结方程，PN结电容，载流子的浓度、扩散、漂移、PN结的形成；了解选管原则，二极管在模拟电路中的主要应用。,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 3.1.4 杂质半导体,3.1.1 半导体材料,1. 导体：电阻率 10-4 ·cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2. 绝缘体：电阻率 109 ·cm 的物质。如橡胶、塑料等。,3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。具有热敏性、光敏性、掺杂性。,最外层电子称价电子,4价元素的原子常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。,硅晶体共价键平面结构,硅的原子结构图,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体,本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。当温度T =0K 时，半导体不导电，如同绝缘体。 本征激发本征半导体在热（或光照）作用下产生电子空穴对的现象。 自由电子和空穴 载流子 复合,若T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,空穴,自由电子,3.1.4 杂质半导体,杂质半导体是在本征半导体中掺入微量的杂质所形成的半导体。 杂质半导体有N型和P型两大类。,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。,3价杂质原子称为受主原子。,P型半导体,空穴,受主原子,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体。,施主原子,5价杂质原子称为施主原子。,杂质半导体中的载流子浓度,在P（N）型半导体中，空穴（自由电子）浓度多于自由电子（空穴）浓度，即pn（np）。空穴（自由电子）为多数载流子，自由电子（空穴）为少数载流子。 杂质半导体中多数载流子的浓度远大于少数载流子的浓度，杂质半导体中的电流基本上是多数载流子的电流； 杂质半导体的导电能力远大于本征半导体的导电能力，半导体中掺入微量的杂质可以大大提高其导电能力。,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 载流子的漂移与扩散 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,漂移载流子在内电场作用下的运动。 扩散由浓度差而产生的运动。,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,3.2.2 PN结的形成,耗尽层,扩散运动,耗尽层。,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,2.扩散运动形成空间电荷区,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差vD内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,电压 vD，硅材料约为（0.60.8）V, 锗材料约为（0.20.3）V。,空间电荷区的宽度约为几微米几十微米；,3.2.3 PN结的单向导电性,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 PN 结具有单向导电性。,1. PN外加正向电压,外电场与内电场方向相反耗尽区变窄，内电场削弱有利于扩散，扩散电流远大于漂移电流正向电流很大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于导通状态。,2. PN外加反向电压,外电场与内电场方向相同耗尽区变宽，内电场增强阻止扩散运动，扩散电流和漂移电流均很小反向电流很小。,当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态。,当 PN 结两端加正向偏置时，电压vD为正值，当vD比nVT大几倍时，二极管的电流iD与电压vD成指数关系。,3. PN结伏安特性的表达式,当 PN 结两端加反向偏置时，电压vD为负值，当|vD|比nVT大几倍时，二极管的电流iD是个常数。,IS ：反向饱和电流； n：发射系数，其值在12之间； VT ：温度的电压当量，在常温(300 K)下，VT26mV。,正向特性,4. PN结的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。,反向特性,击穿特性,a. 正向特性,当正向电压比较小时，正向电流几乎为零。只有当正向电压超过一定值时，正向电流开始快速增长，正向特性上的这一电压叫死区电压。死区电压与材料和温度有关，硅管约 0.5V 左右，锗管约 0.1V 左右。当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,b. 反向特性,加反向电压，反向电流很小。一般硅管的反向电流比锗管小得多。,反向饱和电流,3.2.5 PN结的反向击穿,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,反向击穿,雪崩击穿：PN结耗尽层内的少数载流子在强电场加速作用下获得足够大的能量，与原子发生碰撞，产生电子-空穴对，再碰撞，再产生电子-空穴对，使反向电流急剧上升。,齐纳击穿：在较高的反向电压下，PN结耗尽层的强电场破坏共价键，造成电子-空穴对，形成较大的反向电流。,齐纳击穿,雪崩击穿,3.2.6 PN结的电容效应,PN 结的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD两部分。 扩散电容 多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素。,势垒电容 是用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应。势垒电容是非线性的，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电系数以及外加电压有关。,PN 结处于正偏时结电容较大（主要决定于 CD）；PN 结处于反偏时结电容较小（主要决定于 CB）。,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构 3.3.2 二极管的V-I特性 3.3.3 二极管的参数,半导体二极管的类型,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。 按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型二极管。 按用途划分：,有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、肖特基二极管、开关二极管、光电二极管、发光二极管、激光二极管、变容二极管等。,3.3.1 二极管的结构,点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。 面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。,IS ：反向饱和电流 VT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下，VT26mV,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,结论,3.3.3 二极管的参数,最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 反向击穿电压 VBR 指管子反向击穿时的电压值。 最高反向工作电压VR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压 VBR 的一半定义为 VR 。,极间电容 Cd,势垒电容 CB 扩散电容 CD,反向恢复时间 TRR 存在反向恢复时间的主要原因是扩散电容的影响。,最高工作频率 fM fM 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。,反向电流 IR 指管子未击穿时的反向电流，通常希望 IR 值愈小愈好。,