1、半导体二极管及其应用电路分析,第 1 章,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 半导体二极管电路的应用,1.4 特殊二极管,第 1 章 小 结,第 1 章 半导体二极管,半导体二极管,第 1 章,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 半导体的概念,1.1.2 N型半导体和P型半导体,1.1.3 PN 结,(Semiconductor Diode),第 1 章 半导体二极管,物质按导电性能可分为：,导体,绝缘体,半导体,导体：一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属,最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。在外电场下, 这些电子定向运动形成电流, 呈
2、现出较好的导电特性。,绝缘体：高价元素(如惰性气体)和高 分子物质(如橡胶, 塑料),。,最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 导电性极差, 可作为绝缘材料,半导体：导电能力受条件的改变影 响较大。一般为四价元素，如：硅、锗,摆脱原子核束缚的能力和被原子核束缚的力量大致平衡， 导电特性介于二者之间。,第 1 章 半导体二极管,1.1.1 本征半导体,本征半导体 ,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,硅(锗)的原子结构,简化模型,(束缚电子),第 1 章 半导体二极管,硅(锗)的共价键结构（单晶结构）,价电子,共价键,光或热扰动,自由电子,空穴（本征激发）,自由电子
3、共价键内移动,空穴可在共价键内移动,载流子 ,自由运动的带电粒子。电子载流子、空穴载流子,空穴电流、电子电流,第 1 章 半导体二极管,本征激发：,复 合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,第 1 章 半导体二极管,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与
4、导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,两种载流子,第 1 章 半导体二极管,1.1.2 N型半导体和P型半导体,N 型半导体,第 1 章 半导体二极管,在本征半导体中掺入杂质，提高了半导体的导电能力，掺杂后的半导体称为杂质半导体,P 型半导体,杂质半导体,在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如磷、锑、砷等,在本征半导体中, 掺入微量价元素, 如硼、镓、铟等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。,N 型,磷原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数掺杂浓度,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 主要靠电子导电, 所以称为型半导体。,简称
5、：多子，由掺杂浓度决定,简称：少子，由本征激发决定,第 1 章 半导体二极管,P 型,硼原子,空穴,空穴,电子,载流子数 空穴数掺杂浓度,第 1 章 半导体二极管,这种杂质半导体中空穴浓度远远大于电子的浓度, 主要靠空穴导电, 所以称为P型半导体。,多数载流子，主要由掺杂形成,少数载流子，由热激发形成,注意：,1、杂质半导体呈电中性,2、掺杂浓度决定多子浓度，而多子浓度决定半导体的导电性能。,3、温度决定本征激发，从而影响少子浓度,第 1 章 半导体二极管,N 型、 P 型半导体的简化图示,第 1 章 半导体二极管,1.1.3 PN 结及其特性,一、PN 结(PN Junction)的形成,1
6、. 载流子的浓度差引起多子的扩散,2. 复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽层),3. 扩散和漂移达到动态平衡,扩散电流 等于漂移电流，,总电流 I = 0。,内建电场,第 1 章 半导体二极管,P区,N区,内电场的作用： 1、阻碍多子扩散 2、促使交接面处少子产生漂移运动,空间电荷区宽度一定，形成PN结. 硅材料PN结内电场电位差为0.50.7V,锗材料为0.20.3V,二、PN 结的单向导电性,1. 外加正向电压(正向偏置), forward bias,内电场,外电场,外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子
7、 I多子,第 1 章 半导体二极管,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,2. 外加反向电压(反向偏置), reverse bias,外电场使少子背离 PN 结移动，空间电荷区变宽。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,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（微安级）。PN结呈现很大的电阻，称为截至,第 1 章 半导
8、体二极管,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,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。,小结：,第 1 章 半导体二极管,三、PN结的击穿,反向电压U加大到一定时反向电流将随U增加而急剧增加，出现反向击穿,反向击穿分：电击穿，可逆热击穿，不可逆,第 1 章 半导体二极管,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,第 1 章 半导体二极管,
