1、,模拟电子技术,第三章 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 半导体二极管特性及其分析方 法 3.4 特殊二极管,3.1.1 本征半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3.1 半导体基础知识,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
2、它的导电能力明显改变。,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子常温下很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子
3、是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有载流子，它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,本征半导体
4、中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,3. 本征半导体载流子的浓度,本征激发与复合,产生电子空穴对的过程称为本征激发；电子空穴对成对消失的过程为复合。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为
5、（电子半导体）。,3.1.2 杂质半导体,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空
6、穴称为少数载流子（少子）。,二、P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,3.2 PN 结的形成及特性,在同一片半导体硅片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,1 PN 结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区
7、加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,二 PN结的单向导电性,1、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,2、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,3 PN 结方程,三 PN结的击穿,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,四 PN结的电容效应,3.3 半导体二极管特性及其分析方法,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,3.3. 1 半导体二极管的结构和符号,
8、死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,反向击穿电压UBR,3.3. 2 二极管的伏安特性,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。,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.3. 3二极管的主要参数,3. 最高反向工作电压 UR 通常最高反向工作电压UR一般是UBR的一半.,4. 反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反
9、向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,5. 最高工作频率fM,二极管工作的上限截止频率,3.3.4 二极管的等效电路,1. 理想模型,理想二极管： （1）正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。 （2）反向截止时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。,2 恒压降模型,3 折线模型,3.3.5 半导体二极管的应用1.二极管整流电路,2. 限幅电路,3. 门电路,1 稳压二极管（齐纳二极管）,U,IZmin,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,3.4 特殊二极管,2 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,3 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,
