1、电子技术基础（模拟部分）,中原工学院信息商务学院,第3章 半导体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 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体的基本知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分导体、绝缘体和半导体。,导体：容易导电的物体。如：铁、铜、铝等,绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及 砷化镓GaAs等。,半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同外，它还具有不同于其他物质的
2、特点。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,半导体的特性：,3.1.2 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,典型的半导体是硅Si和锗Ge。硅和锗都是四价元素，在原子最外层轨道上有四个价电子。本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成
3、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。,半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子。当获得一定能量（光、热）后，少量价电子即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发（或热激发）。,本征半导体的导电机理,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： (1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；(2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能
4、也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动形成了空穴电流，它们的方向相反。不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子。,自由电子和空穴都称为载流子。,3.1.3 杂质半导体,本征半导体的导电能力很差，如果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。,1. 掺入五价元素,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为
5、电子半导体或N型半导体,因此五价杂质原子也称为 施主杂质。,多余价电子在常温下即可变为自由电子,磷原子，失去一个电子变为正离子,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体,三价杂质 因而也称为受主杂质。,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,2. 掺入三价元素,B,空穴,硼原子,接受一个电子变为负离子,N型半导体中的导电粒子有两种：自由电子多数载流子空穴少数载流子,P型半导体中的导电粒子有两种：自由电子少数载流子， 由热激发形成 空穴多数载流子，主要由掺杂形成,无论N
6、型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强,漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄,扩散的结果使空间电荷区变宽。,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。此时将在N型 半导体和 P 型半导体 的结合面形成一个特 殊的薄层，称 为PN 结 。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区（势垒区） 此区缺少多子，也称耗尽层,3.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向
7、偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，即PN结呈现低阻性，此时PN结导通。,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,IR,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，即PN结呈现高阻性，此时PN结截止。,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,低电阻大的正向扩散电流,PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结加反向电压（反向偏置）,高电阻很小的反向漂移电流,在一定的温度
8、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。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结的V/I特性可表达为：,式中：,通过PN结的电流,PN结两端的电压,反向饱和电流,温度的电压当量,（1）,vD0时，若vDvT几倍,则,两参数间成指数关系,（2）,vDvT几倍,则,3.2.3 PN结的V/I特性表达式,反向饱和电流不随外加反向电压变动,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。,3.2.4 PN结的反向击穿,如图所示，当加在PN
9、结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，PN结产生电击穿这就是PN结的击穿特性。发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压VBR。,PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，即结温升高使得反向电流更大；反向电流增大又使结温进一步升高，最终将导致PN结烧毁。,产生PN结电击穿的原因是：在强电场作用下，大大增加了自由电子和空穴的数目，引起反向电流的急剧增加，这种现象的产生分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。,雪崩击穿：是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰
10、，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。,齐纳击穿：与雪崩击穿完全不同，是在高的反向电压下，PN结中存在强电场，它能够直接破坏共价键将束缚电子分离来形成电子-空穴对，形成大的反向电流。齐纳击穿需要的电场强度很大，只有在杂质浓度特别大的PN结才做得到。（杂质大电荷密度就大）,电击穿可逆的前提：反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率。,电击穿通常为人们所利用，而热击穿则是必须尽量避免的。,一般的二极管掺杂浓度没这么高，它们的电击穿都是雪崩击穿。齐纳击穿大多出现在特殊的二极管中，如稳压
11、二极管 。,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(c) 平面型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,二极管的结构示意图,3.3.2 二极管的伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V,反向击穿 电压V(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,
12、硅0.60.8V 锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电 压范围内保持常数,3.3.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。流过PN结的电流过大将会引起管子发热量超过限度，使PN结烧坏。,2. 反向击穿电压VBR,指管子反向击穿时的电压值。二极管击穿后电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。通常手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。,3. 反向电流IR,指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差。IR受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅
13、管的几十到几百倍。,4. 极间电容,PN结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为势垒电容CB 和扩散电容CD 。,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。因此，PN结的势垒电容是用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应。,（1） 势垒电容,反向偏置电压增加时，势垒电容减小；正向偏置电压增加时，势垒电容增大。势垒电容与结电阻是并联的，势垒电容在 反偏时作用不可忽视。,（2） 扩散电容,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，
14、由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。,扩散电容示意图,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。因此，PN结的扩散电容是用来描述载流子在扩散过程中随电压变化的积累情况。,势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容很小，一般可忽略；正向偏置时，积累在P区的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩散电容增大。,PN结在反偏时主要考虑势垒电容。,PN结在正偏时主要考虑扩散电容。,3.3.4 二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,二极管的用途：,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,D代表P型Si,
