模拟电子技术基础：第2讲 半导体二极管

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1、l半导体基础知识l半导体二极管第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件主要内容主要内容第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件l依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体导体、绝缘体和和半导体半导体。l导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料；l绝缘体基本上不能导电，常见的有玻璃、陶瓷等材料；l半导体半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。l半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化,具有温敏性、光敏性、掺杂性温敏性、光敏性、掺杂性。1.1 半导体基础知识半导体基础知识原子的最外层电子叫价电子价电子。物质的半导

2、体性能与价电子有关。价电子数目越接近于8个，物质的化学结构越稳定。金属的价电子一般少于4个，单质绝缘体一般多于4个。半导体的价电子数为4个。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件相邻的原子被共有的价电子联系在一起，原子的这种组合叫共价键共价键。l本征半导体本征半导体：无掺杂的纯净的单晶半导体，包括本征硅和锗。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件本征半导体中存在本征激发本征激发和复合复合。本征半导体受外界能量(热能、电能和光能)激发，产生电子空穴对的过程是本征激发本征激发；电子空穴对在运动中相遇，电子添入空穴，从而消失电子空穴对的过程是复合复合特点特点：.有两种不同的载流子，自由电子，空穴

3、。.室温下电子，空穴对有限，导电力差。(1)在半导体中有两种在半导体中有两种载流子载流子这就是这就是半导体和金属导电半导体和金属导电原理的原理的 本质区别本质区别a.电阻率大电阻率大(2)本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大小结小结带正电的带正电的空穴空穴带负电的带负电的自由电子自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件l杂质半导体杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。N N型半导体型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子施

4、主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。P P型半导体型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，为多数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子多子)，空穴为少数载流子(少子少子)。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 杂质半导体的导电性能主要取决于多子的浓度.多子浓度主要取决于掺杂浓度.其值较大并且稳定.因此导电性能得一显著改善.少子的浓度主要与本征半导体激发有关.因此对温度敏感,其大小随温度升高

5、而增大。c.电子是多数载流子，简称多子电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流空穴是少数载流 子，简称少子。子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或 电子型半导体。电子型半导体。f.因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b.N型半导体中型半导体中产生了大量的产生了大量的(自由）电子和正离子自由）电子和正离子。小结小结d.np nn=K(T)a.N型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质掺入少量五价杂质 元素形成的。元素形成的。c.空穴是多数载流子空穴是多数载流子,

6、电子是少数载流子。电子是少数载流子。e.因空穴带正电，称这种半导体为因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或 空穴型半导体。空穴型半导体。f.因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价掺入少量的三价 杂质元素形成的。杂质元素形成的。b.P型半导体型半导体产生大量的空穴和负离子产生大量的空穴和负离子。小结小结d.np nn=K(T)当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将将N型转为型转为P型；型；杂质半导体的转型杂质半导体的

7、转型当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将将P型转为型转为N N型。型。N+N+以以N型半导体为基片型半导体为基片通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺3.PN结的形成结的形成使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+-P-第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件lPNPN结结lPNPN结的形成结的形成半导体中的电流包括漂移电流和扩散电流。漂移电流漂移电流：在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流。扩散电流扩散电流：在载流子浓度梯度作用下，半导体中的载流子从高浓度区向低浓度区扩散形成的

8、电流。漂移电流是电子漂移电流和空穴漂移电流之和。扩散电流正比于载流子的浓度梯度即浓度差。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散扩散，并在N区被电子复合复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子受主负离子和施主正离子施主正离子。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区。空间电荷区。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽

9、区耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区势垒区。因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏正偏)。使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏反偏)。lPNPN结的单向导电性结的单向导电性la.载流子两种运动:扩散、漂移运动。lb.

10、无外加电压的动态平衡。lc.加正向偏置.形成导通电流，正向电阻小。ld.反向电阻很大。le.反向饱和电流IS，受温度影响较大。lPNPN结的特点结的特点第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 PN结的伏安特性结的伏安特性)1e(S TUuIi+_PN_uiIS PN结反向饱和电流结反向饱和电流UT 热电压热电压)1e(S TUuIi式中式中UT=KT qq 电子电量电子电量T 绝对温度绝对温度mV26 TU在室温（在室温（T=300K)时，时，。K 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数其中其中(1)当当u=0时，时，i=0；(3)当当u UT 时，时，i IS。讨论讨论)1e(S TUuIi(2)当当u

11、0，且，且u UT 时，时，；TUuIieS 第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 流过PN结的电流i 与外加电压u之间的关系为 IS：反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q：温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。)1(/SDD TVveIilPNPN结的伏安特性结的伏安特性(1)DTuUDSiIe第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件lPNPN结的电容效应结的电容效应势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容：当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子

12、增多，相当于存贮的电荷量增加。势垒电容由空间电荷区的变化引起的势垒电容由空间电荷区的变化引起的，用 CB 来表示。势垒电容不是常数不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容：正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。非平衡非平衡少子浓少子浓度分布度分布梯度梯度外加电压增加外加电压增加l势垒电容和扩散电容都随外加电压的变化而变化，都势垒电容和扩散电容都随外加电压的变化而变化，都是非线性电容是非线性电容。lPNPN结上的总电容结上的总电容C Cj j为两者之和，即为两者之和，即Cj=C

13、j=C Cb+b+C Cd d。正偏时以。正偏时以C Cd d为主，为主，C Cj j C Cd d，其值通常为几十至几百，其值通常为几十至几百pFpF；反偏时以；反偏时以C Cb b为主，为主，C Cj j C Cb,b,其值通常为几至几十其值通常为几至几十pFpF。因为。因为C Cb b和和C Cd d并不大，所以在并不大，所以在高频工作时，高频工作时，才考虑它们的影响。才考虑它们的影响。第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.2 半导体二极管晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的。常见类型：普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管 第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件

14、第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.2 半导体二极管l常见结构常见结构PNPN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频用于检波和变频等高频电路电路PNPN结面积大，用于工结面积大，用于工频大电流整流电路。频大电流整流电路。阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底用于集成电路制造艺用于集成电路制造艺中。中。PN PN 结面积可大结面积可大可小，用于高频整流可小，用于高频整流和开关电路中。和开关电路中。1.2 半导体二极管l二极管的伏安特性二极管的伏安特性(1)正向特性正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右，锗锗二

15、极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。当当V0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段：当当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。律增长。(2)反向特性反向特性当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当当VBRV0时，反向电流很小，且基时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称

16、电流也称反向饱和电流反向饱和电流I IS S 。当当VVBR时，反向电流急剧增加，时，反向电流急剧增加，VBR称称为为反向击穿电压反向击穿电压。1.2 半导体二极管l二极管的温度特性二极管的温度特性1.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。2.温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降Ud大约减小2 mV，即具有负的温度系数。温度升高，正向特性左移，反向特性下移温度升高，正向特性左移，反向特性下移.为了保证为了保证PNPN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为结正常工作，它的最

17、高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150-200)(150-200)，对锗材料约为，对锗材料约为(75-100)(75-100)。1.2 半导体二极管l二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)最高反向工作电压最高反向工作电压UR(3)反向电流反向电流IR(4)工作频率工作频率fM型号反压V电流(A)类型用途1N400150V1整流二极管一般小电流整流电路，工作频率不高的一般用途。广泛应用。如小型电源、充电器等。1N4002100V11N4003200V11N4004400V11N4005600V11N4006800V11N40071000V11N5401-1N

18、508100V-1000V3整流二极管电流较大整流电路1N414850V0.1开关二极管开关、小电流应用等1.2 半导体二极管l二极管等效电路二极管等效电路 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型l二极管的最重要的应用是作为“开关开关”。由此而引申出来的有整流、限幅及电平选择等诸多方面的应用。在任何应用电路中，最核心的问题是如何判断二极管是处于导通或是截止状态核心的问题是如何判断二极管是处于导通或是截止状态。如果是导通的，二极管即可视为短路或0.7V(锗材料为0.2V)，反之，是截止的，即可视为为开路。l稳压二极管稳压二极管 稳压管（又称齐纳二极管齐纳二极管）是应用

19、在反向击穿区的特殊硅二极管。由于在电路中能起到稳定电压的作用，称为稳压二极管。(b)(c)(a)l稳压管主要参数稳定电压UZ稳定电流IZ额定功耗PZM动态电阻rz稳压管使用的注意事项：稳压管使用的注意事项：稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，起到稳压作用。10V6Vl发光二极管在使用发光二极管时应在使用发光二极管时应注意注意：若用直流电源电压驱动发光二极管时，在电路中一定要串联限流电阻串联限流电阻，以防止通过发光二极管的电流过大而烧坏管子，注意发光二极管的正向导通压降为1.22V。RLEDEl光电二极管利用光电导效应工作，PN结工作在反偏，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流。DEDDRLUD注意：应在反压状态工作注意：应在反压状态工作UD=-IRRL小结