第3章晶體二極管及其基本電路new

1、第 3章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路,3.1　半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),3.2　PN結(jié)的特殊二極管成及特性,3.3　半導(dǎo)體二極管,3.4　二極管基本電路及其分析方法,3.5　特殊二極管,,3.1　半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí),3.1.2　半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),3.1.3　本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,3.1.3　雜質(zhì)半導(dǎo)體,3.1.1　半導(dǎo)體材料,,,3.1.1 半導(dǎo)體材料,根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，將物質(zhì)劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：具有大量自

2、由電荷，電流容易通過(guò)的物質(zhì)。（一般金屬都是導(dǎo)體）；絕緣體：隔絕電流，使電流不能通過(guò)的物質(zhì)。（如：橡膠、塑料、陶瓷、油脂等）；半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有：元素半導(dǎo)體（硅Si和鍺Ge等）；化合物半導(dǎo)體（砷化鎵GaAs等）。,半導(dǎo)體的特點(diǎn): 1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2.半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。3.在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇

3、增強(qiáng)。 目前用來(lái)制造電子器件的半導(dǎo)體材料主要是硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等。它們的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且會(huì)隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。 由半導(dǎo)體材料做成的器件具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代技術(shù)當(dāng)中。,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 要理解半導(dǎo)體材料的特性，就必須從半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)談起。與價(jià)電子密切相關(guān)，所以為了突出

4、價(jià)電子的作用，我們采用圖3–1所示的簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型。,圖3–1原子的簡(jiǎn)化模型,在本征硅和鍺的單晶中，原子按一定間隔排列成有規(guī)律的空間點(diǎn)陣(稱為晶格)。由于原子間相距很近，價(jià)電子不僅受到自身原子核的約束，還要受到相鄰原子核的吸引，使得每個(gè)價(jià)電子為相鄰原子所共有，從而形成共價(jià)鍵。這樣四個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)原子中的價(jià)電子分別組成四對(duì)共價(jià)鍵，依靠共價(jià)鍵使晶體中的原子緊密地結(jié)合在一起。 圖3–3是單晶硅或鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖。共價(jià)鍵

5、中的電子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶體中自由移動(dòng)的，所以是束縛電子，不能參與導(dǎo)電。,圖3–2單晶硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖,硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu),晶體：原子排列規(guī)則、有規(guī)律的物質(zhì)。,3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,半導(dǎo)體 —,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。,本征半導(dǎo)體 —,是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。如硅、鍺單晶體。,載流子 —,自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。,共價(jià)鍵 —,相鄰原子共有價(jià)電子所形

6、成的束縛。,本征半導(dǎo)體中的載流子——自由電子和空穴,（1）穩(wěn)定——在絕對(duì)零度(-273℃)時(shí)，所有價(jià)電子都被束縛在共價(jià)鍵內(nèi)，晶體中沒(méi)有自由電子，所以半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。 （2）本征激發(fā)——當(dāng)溫度升高時(shí)，鍵內(nèi)電子因熱激發(fā)而獲得能量。其中獲得能量較大的一部分價(jià)電子，能夠掙脫共價(jià)鍵的束縛離開(kāi)原子而成為自由電子。 （3）空穴形成——與此同時(shí)在共價(jià)鍵內(nèi)出現(xiàn)空位，如圖3–3所示。空穴出現(xiàn)是半導(dǎo)體和導(dǎo)體的重要區(qū)別。,圖3–3本征激發(fā)產(chǎn)

7、生電子和空穴,（4）空穴移動(dòng)——出現(xiàn)空穴，臨近價(jià)電子就填補(bǔ)這個(gè)空位，周而復(fù)始的電荷遷移形成電流。（5）平衡——在本征半導(dǎo)體中，由于本征激發(fā)，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，使載流子濃度增加。與此同時(shí)，又會(huì)有相反的過(guò)程發(fā)生。由于正負(fù)電荷相吸引，因而，會(huì)使電子和空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相遇。這時(shí)電子填入空位成為價(jià)電子，同時(shí)釋放出相應(yīng)的能量，從而消失一對(duì)電子、空穴，這一過(guò)程稱為復(fù)合。顯然，載流子濃度越大，復(fù)合的機(jī)會(huì)就越多。這樣在一定溫度下，當(dāng)沒(méi)有其它能量存在時(shí)，

8、電子、空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合最終會(huì)達(dá)到一種熱平衡狀態(tài)，使本征半導(dǎo)體中載流子的濃度一定。,,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度, 除了與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外, 還與溫度有關(guān), 而且隨著溫度的升高, 基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此, 半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)溫度十分敏感。對(duì)于硅材料, 大約溫度每升高８℃, 本征載流子濃度ni增加 1 倍；對(duì)于鍺材料, 大約溫度每升高１２℃, ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半導(dǎo)體載流子濃度還與光照有關(guān), 人們正是利用此

9、特性, 制成光敏器件。,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體:,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，有N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。,空穴 ：多數(shù)載流子（多子）,自由電子：少數(shù)載流子（少子）,載流子數(shù) ? 空穴數(shù),空位很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因接受電子而稱為受主雜質(zhì)。,硼原子接受電子，成為負(fù)離子，故稱受主電離。,

10、1、P 型半導(dǎo)體:在本征硅(或鍺)中摻入少量的三價(jià)元素，如硼、鋁、銦等，就得到P型半導(dǎo)體或叫空穴半導(dǎo)體。 這時(shí)雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個(gè)價(jià)電子和相鄰的四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，只有三個(gè)共價(jià)鍵是完整的，第四個(gè)共價(jià)鍵因缺少一個(gè)價(jià)電子而出現(xiàn)一個(gè)空位。,P型半導(dǎo)體中空穴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目，空穴導(dǎo)電為主。,2、N型半導(dǎo)體：在本征硅(或鍺)中摻入少量的五價(jià)元素，如磷、砷、銻等，就得到N型半導(dǎo)體。 這時(shí)，雜質(zhì)原子替代

11、了晶格中的某些硅原子，它的四個(gè)價(jià)電子和周圍四個(gè)硅原子組成共價(jià)鍵，而多出一個(gè)價(jià)電子只能位于共價(jià)鍵之外。,在以上兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，盡管摻入的雜質(zhì)濃度很小，但通常由雜質(zhì)原子提供的載流子數(shù)卻遠(yuǎn)大于本征載流子數(shù)。 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的少子濃度，因摻雜不同，會(huì)隨多子濃度的變化而變化。 摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,3、雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,,,由以上分析可知，本征半導(dǎo)體通過(guò)摻雜，可以大大改變半導(dǎo)體內(nèi)載流子

12、的濃度，并使一種載流子多，而另一種載流子少。對(duì)于多子，通過(guò)控制摻雜濃度可嚴(yán)格控制其濃度，而溫度變化對(duì)其影響很??；對(duì)于少子，主要由本征激發(fā)決定，因摻雜使其濃度大大減小，但溫度變化時(shí)，由于ni的變化，會(huì)使少子濃度有明顯變化。,4、半導(dǎo)體中的電流 了解了半導(dǎo)體中的載流子情況之后，我們來(lái)討論它的電流。在半導(dǎo)體中有兩種電流。（1）漂移電流 在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為漂移電流。它類似于金屬導(dǎo)

13、體中的傳導(dǎo)電流。,半導(dǎo)體中有兩種載流子——電子和空穴，當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，電子逆電場(chǎng)方向作定向運(yùn)動(dòng)，形成電子電流In ，而空穴順電場(chǎng)方向作定向運(yùn)動(dòng)，形成空穴電流Ip 。雖然它們運(yùn)動(dòng)的方向相反，但是電子帶負(fù)電，其電流方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均為空穴流動(dòng)的方向。因此，半導(dǎo)體中的總電流為兩者之和，即 I=In+Ip 漂移電流的大小將由半導(dǎo)體中載流子濃度、遷移速度及外加電場(chǎng)的強(qiáng)度等因素決定。,（2）擴(kuò)散電流

14、 在半導(dǎo)體中，因某種原因使載流子的濃度分布不均勻時(shí)，載流子會(huì)從濃度大的地方向濃度小的地方作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成擴(kuò)散電流。 半導(dǎo)體中某處的擴(kuò)散電流主要取決于該處載流子的濃度差(即濃度梯度)。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無(wú)關(guān)。反映在濃度分布曲線上(見(jiàn)圖3–6)，即擴(kuò)散電流正比于濃度分布線上某點(diǎn)處的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。,圖3–6半導(dǎo)體中載流子的濃度分布,雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用,I,,,,,,

15、,,,,,IP,,,,,,,,,,IN,,I = IP + IN,N 型半導(dǎo)體 I ? IN,P 型半導(dǎo)體 I ? IP,P 型、N 型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示,N 型半導(dǎo)體,P 型半導(dǎo)體,動(dòng)畫（P的形成）,動(dòng)畫（N的形成）,3.2 PN 結(jié)的形成及特性,通過(guò)摻雜工藝，把本征硅(或鍺)片的一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，這樣在它們的交界面處會(huì)形成一個(gè)很薄的特殊物理層，稱為PN結(jié)。 PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。其中，最

16、簡(jiǎn)單的晶體二極管就是由PN結(jié)構(gòu)成的。因此，討論P(yáng)N結(jié)的特性實(shí)際上就是討論晶體二極管的特性。,,1、PN 結(jié)(PN Junction)的形成,,內(nèi)建電場(chǎng),在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng),? 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移,?內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?,由雜質(zhì)離子形成

17、空間電荷區(qū) ?,動(dòng)畫(PN結(jié)的形成）,P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí)，電子和空穴都是帶電的，因?yàn)镻區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子。而N區(qū)中的電子也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)保持的電中性被破壞了。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動(dòng)的受

18、主負(fù)離子和施主正離子。結(jié)果在界面的兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 PN結(jié)空間電荷區(qū)，電子勢(shì)能（=–qVo）發(fā)生了變化，電子要從N區(qū)到P區(qū)必須越過(guò)一個(gè)能量高坡，一般稱為勢(shì)壘，因此又把空間電荷區(qū)稱為勢(shì)壘區(qū)。,開(kāi)始時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，于是漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相

19、對(duì)減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散力被電場(chǎng)力所抵消，使擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，雖然擴(kuò)散和漂移仍在不斷進(jìn)行，但通過(guò)界面的凈載流子數(shù)為零。平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，UB也保持一定，如圖3–7(b)所示。,圖3–7PN結(jié)的形成,實(shí)際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對(duì)界面對(duì)稱，稱為對(duì)稱結(jié)，見(jiàn)圖3–7(b)。如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對(duì)稱結(jié)，用P+N或PN+表示(+號(hào)表示重?fù)诫s區(qū))

20、。這時(shí)耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊，如圖3–8(a),(b)所示。,圖3–8不對(duì)稱PN結(jié),,,內(nèi)電場(chǎng),,外電場(chǎng),外電場(chǎng)使多子向 PN 結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流 IF,IF = I多子 ? I少子 ? I多子,（2）外加反向電壓(反向偏置),— reverse bias,外電場(chǎng)使少子背離 PN 結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。,PN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

21、 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。,漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流 IR,IR = I少子 ? 0,動(dòng)畫（正偏）,動(dòng)畫（反偏）,動(dòng)畫（PN結(jié)）,動(dòng)畫（單向）,（1）. 外加正向電壓(正向偏置),— forward bias,2、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?（1）PN結(jié)加正向電壓 使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏)，如圖3--9所示：,圖3–9 正向偏置的PN結(jié),（2）PN結(jié)加反向電壓

22、 使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏)。由于反向電壓與UB的極性一致，因而耗盡區(qū)兩端的電位差變?yōu)閁B+U，如圖3–10所示。,圖3–10反向偏置的PN結(jié),（3）、PN 結(jié)的伏安（V-I )特性表達(dá)式,反向飽和電流,溫度的電壓當(dāng)量,電子電荷e=1.6×10-19C,玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K,常溫下 T = 300(27?C)：,VT = 26 mV,,,,,

23、正向特性,反向擊穿,加正向電壓時(shí),加反向電壓時(shí),i≈–IS,自然對(duì)數(shù)的底 e=2.718 28 · · ·,理論分析證明，流過(guò)PN結(jié)的電流i與外加電壓u之間的關(guān)系為 i=IS(e qu/kT-1)= IS(e u / UT -1) (3–4)  式中， IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)；UT=kT/q，稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。

24、在T=300K(室溫)時(shí)， UT =26mV。這是一個(gè)今后常用的參數(shù)。 ,由式(3–4)可知，加正向電壓時(shí)，u只要大于UT幾倍以上，i≈Iseu/U-T，即i隨u呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時(shí)，|u|只要大于UT幾倍以上，則i≈–IS(負(fù)號(hào)表示與正向參考電流方向相反)。因此，式(3–4)的結(jié)果與上述的結(jié)論完全一致。由式(3–4)可畫出PN結(jié)的伏安特性曲線，如圖3–11所示。圖中還畫出了反向電壓大到一定值時(shí)，反向電流突然增大的情況。,3、

25、PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿——不可逆,,由圖3–11看出，當(dāng)反向電壓超過(guò)UBR后稍有增加時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義UBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。,雪崩擊穿：在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過(guò)耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高

26、能的少子，會(huì)與中性原子的價(jià)電子相碰撞，將其撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。(碰撞電離）新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場(chǎng)加速后，又會(huì)撞出新的電子、空穴對(duì)。（倍增效應(yīng)）這種連鎖反應(yīng)使耗盡層的載流子數(shù)目急劇增加，從而引起反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象類似雪崩，所以叫雪崩擊穿一般的整流二極管摻雜濃度低，多是雪崩擊穿。,齊納擊穿：在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)

27、中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。穩(wěn)壓二極管一般重?fù)诫s，多出現(xiàn)齊納擊穿。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時(shí)為雪崩擊穿； UBR <5V時(shí)為齊納擊穿； UBR介于5～7V時(shí)，兩種擊穿都有。,,熱擊穿：反向電壓過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)大的反向電流，兩者之積超過(guò)PN結(jié)的耗散功率， PN結(jié)擊穿，這種擊穿叫熱擊穿。熱擊穿是不可逆的，會(huì)燒壞PN結(jié)。齊納擊穿和雪

28、崩擊穿為電擊穿，不一定燒壞PN結(jié)，電壓降下來(lái)就可以了。,4、PN結(jié)的電容特性 PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分組成。（1）勢(shì)壘電容 從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)看，在導(dǎo)電性能較好的P區(qū)和N區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似。當(dāng)外加電壓增大時(shí)，多子被推向耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子減少，相當(dāng)于存貯的電荷量減少；當(dāng)外加電壓減小時(shí)，多子被推離耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子增多，相當(dāng)于存貯的電荷量增加。,因此，耗盡區(qū)中存貯

29、的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應(yīng)，并稱為勢(shì)壘電容，用CT表示。經(jīng)推導(dǎo)， CT可表示為,(3–5),式中：CT0為外加電壓u=0時(shí)的CT值，它由PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等決定；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)，一般在1/3～6之間。,（2）擴(kuò)散電容 正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會(huì)形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。 這種外加電壓改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應(yīng)，稱為

30、擴(kuò)散電容，用CD表示。 下面利用圖3--12中P區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來(lái)說(shuō)明。,圖3–12 P區(qū)少子濃度分布曲線,同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量ΔQp。 如果引起ΔQn,Δ Qp的電壓變化量為Δu，則,(3–6),對(duì)PN+結(jié)，可以忽略ΔQp/Δu項(xiàng)。經(jīng)理論分析可得,式中：τn為P區(qū)非平衡電子的平均命；I為PN結(jié)電流，由式(3–4)確定。由式(3–5)、(3–6)可知，

31、CT、CD都隨外加電壓的變化而變化，所以勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容。由于CT和CD均等效地并接在PN結(jié)上，因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj= CT + CD 。正偏時(shí)以CD為主， Cj ≈ CD ，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時(shí)以CT為主， Cj ≈ CT,其值通常為幾至幾十pF。因?yàn)镃T和CD并不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響。,5、PN結(jié)的溫度特性 PN結(jié)特性對(duì)溫度變化很敏感，反映在伏安特

32、性上即為：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖3–11中虛線所示。具體變化規(guī)律是：保持正向電流不變時(shí)，溫度每升高1℃，結(jié)電壓減小約2～2.5mV，即 Δu/ΔT≈-(2～2.5)mV/℃ (3–7) 溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時(shí)， IS =IS1；溫度為T2時(shí)， IS =IS2，則,(3–8),當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度有可能超過(guò)摻雜濃度，使雜

33、質(zhì)半導(dǎo)體變得與本征半導(dǎo)體一樣，這時(shí)PN結(jié)就不存在了。因此，為了保證PN結(jié)正常工作，它的最高工作溫度有一個(gè)限制，對(duì)硅材料約為(150～200)℃，對(duì)鍺材料約為(75 ～ 100)℃。,3.3　半導(dǎo)體二極管,3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,3.3.2 二極管的伏安特性,3.3.3 二極管的主要參數(shù),,,3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型,構(gòu)成：,PN 結(jié) + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode),符號(hào)：,A,(anode),

34、C,(cathode),分類：,按材料分,,硅二極管,鍺二極管,按結(jié)構(gòu)分,,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,,,,砷化鎵二極管,按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)?、阻尼等二極管。按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管。其中，具有單向?qū)щ娞匦缘钠胀ǘO管應(yīng)用最廣。本節(jié)主要討論普通二極管及其基本應(yīng)用電路。另外，簡(jiǎn)要介紹穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路。,,3.3.2 二極管的伏安特性,二極

35、管的伏安方程,反向飽和電流,溫度的電壓當(dāng)量,電子電量,玻爾茲曼常數(shù),VT = 26 mV,鍺管的伏安特性,硅管的伏安特性,動(dòng)畫（D伏安）,當(dāng) T = 300(27?C)：,二極管的伏安特性,,正向特性,Vth,死區(qū)電壓,iD = 0,Vth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(鍺管),V ? Vth,iD 急劇上升,0 ? V ? Vth,VD(on) = (0.5 ? 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 ? 0.3)

36、 V,鍺管 0.2 V,反向特性,,,,,IS,,,V (BR),反向擊穿,V(BR) ? V ? 0,iD = IS,< 0.1 ?A(硅),;幾十 ?A (鍺),,V < V(BR),反向電流急劇增大,(反向擊穿),1. 正向特性,2. 反向特性,二極管的導(dǎo)通壓降,IS,3.反向擊穿類型：,電擊穿,熱擊穿,反向擊穿原因：,齊納擊穿：(Zener),反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (擊穿電壓 < 6 V

37、，負(fù)溫度系數(shù)),雪崩擊穿：,反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，通過(guò)碰撞產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)，使自由電子數(shù)突增。,— PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。 （可逆）,— PN 結(jié)燒毀。（不可逆）,(擊穿電壓 > 6 V，正溫度系數(shù)),擊穿電壓在 6 V 左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。,,,只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到,3.3.3 二極管的主要參數(shù),器件參數(shù)是定量描述器件性能質(zhì)量和安全工作范圍的重要數(shù)據(jù)，是我們合理選擇和正確使用器件的依據(jù)。參

38、數(shù)一般可以從產(chǎn)品手冊(cè)中查到，也可以通過(guò)直接測(cè)量得到。下面介紹晶體二極管的主要參數(shù)及其意義。1、直流電阻RD RD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過(guò)它的直流電流ID之比，即,RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。 RD的幾何意義見(jiàn)圖3–15(a)，即Q(ID,UD)點(diǎn)到原點(diǎn)直線斜率的倒數(shù)。顯然，圖中Q1點(diǎn)處的RD小于Q2點(diǎn)處的RD 。,(3–9),圖3–15二極管電阻的幾何意義

39、 (a)直流電阻RD； (b)交流電阻rD,2、交流電阻rD rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即,(3–10),rD的幾何意義見(jiàn)圖3–15(b)，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。 rD可以通過(guò)對(duì)式(3–4)求導(dǎo)得出，即,(3–11),可見(jiàn)rD與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關(guān)。室溫條件下(T=300K):

40、 通過(guò)對(duì)二極管交、直流電阻的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點(diǎn)處的交、直流電阻不同，同一點(diǎn)處交流和直流電阻也不相同。,(3–12),3、IF — 最大整流電流(最大正向平均電流),4、VRM — 最高反向工作電壓，為 V(BR) / 2,5、IR — 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?,6、fM — 最高工作頻率(超過(guò)時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?,影響工作頻率的原因 —,PN 結(jié)的電容效應(yīng),結(jié)

41、論：1.低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，對(duì) PN 結(jié)影響很小。高頻時(shí)，因 容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?2.結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。,7、極間電容C,(1)勢(shì)壘電容CB,勢(shì)壘電容示意圖,(2) 擴(kuò)散電容CD,擴(kuò)散電容示意圖,從電路上看，CB和結(jié)電阻并聯(lián)，反偏結(jié)電阻很大，盡管CB很小，它的作用還是不能忽略；正偏時(shí)結(jié)電阻很小，盡管CB很大，它的作用相對(duì)來(lái)說(shuō)反而比較小。,PN結(jié)的正向電流是由P區(qū)的空

42、穴和N區(qū)的電子的相互擴(kuò)散形成的,從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴在N區(qū)存在著濃度差,靠近PN結(jié)近的空穴的濃度大，遠(yuǎn)離PN結(jié)近的空穴的濃度小。,二極管使用時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)二極管應(yīng)按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇。(2)使用二極管時(shí),正、負(fù)極不可接反。通過(guò)二極管的電流,承受的反向電壓及環(huán)境溫度等都不應(yīng)超過(guò)手冊(cè)中所規(guī)定的極限值。(3)更換二極管時(shí),應(yīng)用同類型或高一級(jí)的代替。(4)二極管的引線彎曲處距離外殼端面應(yīng)不小于2mm,以免造

43、成引線折斷或外殼破裂。,3.4　二極管電路的 分析方法,3.4.1 二極管正向V-I特性的建模,3.4.2 模型分析法應(yīng)用舉例,1、理想模型,特性,,,符號(hào)及等效模型,正偏導(dǎo)通，vD = 0；反偏截止， iD = 0 V(BR) = ?,,圖示表示理想二極管的V–I特性，其中的虛線表示實(shí)際二極管的V–I特性。由圖可見(jiàn)，在正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。在實(shí)際的電路

44、中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來(lái)近似分析是可行的。,2、二極管的恒壓降模型,VD,vD = VD,,0.7 V (Si),0.2 V (Ge),,當(dāng)二極管導(dǎo)通后，認(rèn)為其管壓降是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V（Si為0.7V、Ge為0.2V）。不過(guò)這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)與結(jié)果接近。,3、二極管的折線模型,為了較真實(shí)地描述二極管V-I特性，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過(guò)二極管電

45、流的增加而增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來(lái)作進(jìn)一步的近似。這個(gè)電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth，約為0.5V。rD的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為0.7V，于是rD的值可計(jì)算如下： 由于二極管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不變的。,?I,,,斜率1/ rD,,4. 小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下

46、（T=300K）,,例 3.4.1 硅二極管，R = 10 k?，分別用二極管理想模型、恒壓降模型和折線模型(設(shè)折線模型中rD=0.2kΩ)求出： （1）VDD = 10 V 。 （2）VDD = 1 V 時(shí) ID 和 VD 的值。,3.4.2 模型分析法應(yīng)用舉例,1. 二極管電路的靜態(tài)工作情況分析,[解],(1)VDD = 10V,①理想,ID = VDD / R = 10 / 10 = 1 (mA),VD = 0 V,②恒壓降

47、,VD= 0.7 (V);,ID = (VDD-VD) / R = (10-0.7) / 10 = 0.93 (mA),(2)VDD = 1 V,VD = 0.5V+IDrD = 0.5+0.931×0.2 =0.69 (V),在電源電壓VDD 遠(yuǎn)大于二極管管壓降的情況下 ，恒壓降模型能得出較合理的結(jié)果；但在電源電壓VDD 較低時(shí)，折線模型能提供較合理的結(jié)果。正確選擇器件的模型是電子工作者的基本技能。,③折線,①理想,ID =

48、 VDD / R = 1 / 10 = 0.1 (mA),VD = 0 V,②恒壓降,VD= 0.7 (V);,ID = (VDD-VD) / R = (10-0.7 )/ 10 = 0.03 (mA),VD = 0.51 (V),③折線,例 3.4.2 一限幅電路如圖所示，R=1KΩ,VREF=3V。(1)vI=0V、4V、6V，時(shí)，求相應(yīng)的輸出電壓vo的值；（2)當(dāng)vi=6sinωt V時(shí)會(huì)出相應(yīng)的輸出電壓vo的波形。,解:(1

49、) vi 不高，且有參考電壓VREF=3V，宜采用折線模型,vI = 0 V時(shí)，二極管截止， vO= vI,2.限幅電路,（2) vi=6sinωt V,當(dāng)vi＜ VREF+Vth時(shí)，傳輸特性是一條過(guò)O點(diǎn)且斜率為1的直線，一旦vi＞ VREF+Vth時(shí)，傳輸特性發(fā)生轉(zhuǎn)折并以斜率為rD/(rD+R)上升，如圖所示。,動(dòng)畫（二極管的分析）,例3.4.3 一二極管開(kāi)關(guān)電路如下圖所示。當(dāng)vI1和vI2分別為0V或5V時(shí)，求vI1和vI2的

50、值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。,5 V,3.開(kāi)關(guān)電路,4.低電壓穩(wěn)壓電源,例3.4.4在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓VI的正常值為10V，R=10KΩ,若VI 變化±1V時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？,解：①當(dāng) VI的正常值為10V，利用恒壓降模型，VD≈0.7V ?？傻肣點(diǎn)上的電流為,②在此Q點(diǎn)上，二極管的微變電阻為,③VI有±1V的波動(dòng)，可視為一峰-峰值為2V的交流信號(hào)作用于由

51、R和rd組成的分壓器上,二極管電壓vd的變化范圍為±2.79mV。,5、二極管整流電路把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管半波整流電路如圖3–17(a)所示。若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入一正弦波時(shí)，由圖可知：正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合)，uo=ui；負(fù)半周時(shí)，二極管截止(相當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi))， uo =0。其輸入、輸出波形見(jiàn)圖3–17(b)。整流電路可用于信號(hào)檢測(cè)，也是直流電源的一個(gè)組成部分。,圖3–17二極

52、管半波整流電路及波形(a)電路； (b)輸入、輸出波形關(guān)系,3.5　特殊二極管,3.5.1 穩(wěn)壓二極管,3.5.2 變?nèi)荻O管,3.5.3 肖特基二極管,3.5.4 光電子器件,3.5.1 穩(wěn)壓二極管（齊納二極管） 穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。1、穩(wěn)壓二極管的特性 穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)及伏安特性曲線

53、如圖3–27所示。由圖可見(jiàn)，它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)(IZmin<I<IZmax)，其兩端電壓幾乎不變。,圖3-27穩(wěn)壓二極管及其特性曲線 （a)電路符號(hào) （b) 伏安特性曲線,這表明，穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，能通過(guò)調(diào)整自身電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。 穩(wěn)壓二極管擊穿后，電流急劇增大，使管耗相應(yīng)增大。因

54、此必須對(duì)擊穿后的電流加以限制，以保證穩(wěn)壓二極管的安全。,2、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ UZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值（流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值）。由于制作工藝的原因，即使同型號(hào)的穩(wěn)壓二極管， UZ的分散性也較大。使用時(shí)可通過(guò)測(cè)量確定其準(zhǔn)確值。,（2）穩(wěn)壓電流IZ IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。工作電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果差，大于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果好。穩(wěn)定電流

55、的最大值IZmax有一限制，即IZmax =PZ/UZ。工作電流不允許超過(guò)此值，否則會(huì)燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmin的限制，小于此值時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。 IZ越大穩(wěn)壓效果越好，小于 IZ(min )時(shí)不穩(wěn)壓。,,（3）額定功耗PZ PZ是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。 PZ與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過(guò)此值。 最大工作電流IZM:反向電流大于IZ(max)時(shí)，穩(wěn)壓

56、管可能被燒毀值。 最大耗散功率 PZM:,P ZM = VZ IZM,（4）動(dòng)態(tài)電阻rZ rZ是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。 rZ隨工作電流增大而減小。 rZ的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。,rZ = ?VZ / ?IZ,rZ越小穩(wěn)壓效果越好。,（5）溫度系數(shù)α α是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對(duì)變化

57、量表示。通常， UZ 7V時(shí)具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；而UZ在5V到7V之間時(shí)，溫度系數(shù)可達(dá)最小。,例 分析簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路的工作原理，R 為限流電阻。,IR = IZ + IL,VO= VI – IR R,例 3.5.1一穩(wěn)壓電路如圖所示，其中的直流輸入電壓VI系由汽車上鉛酸電池供電，電壓在12～13.6V之間波動(dòng)。負(fù)載為一移動(dòng)式9V半導(dǎo)體收音機(jī)，當(dāng)它的音量最大時(shí)，需供給的功率為0.5W。穩(wěn)壓管的參數(shù)為:穩(wěn)定電壓VZ=

58、9V,穩(wěn)定電流范圍為IZ=5mA至IZM=56mA,耗散功率為1W。限流電阻R的值為51Ω。是分析此穩(wěn)壓電路能否正常工作。,解：①負(fù)載所消耗的功率=VLIL,②檢驗(yàn)穩(wěn)壓管的耗散功率,當(dāng)空載（IL=0）時(shí)，穩(wěn)壓管的最大耗散功率為,③檢驗(yàn)限流電阻R的功率定額,為安全可靠，限流電阻R宜選用51Ω、1W的電阻,二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。,3.

59、5.2 變?nèi)荻O管,3.5.3 肖特基二極管 當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在其交界面處會(huì)形成勢(shì)壘區(qū)，利用該勢(shì)壘制作的二極管，稱為肖特基二極管或表面勢(shì)壘二極管。它的原理結(jié)構(gòu)圖和對(duì)應(yīng)的電路符號(hào)如圖3–24所示。,圖3–24 肖特基二極管結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖； (b)電路符號(hào),光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過(guò)管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的

60、PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行，它的反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。,3.5.4.1 光電二極管,3.5.4 光電子器件,發(fā)光二極管通常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等所制成的。當(dāng)這種管子通以電流時(shí)將發(fā)出光來(lái)，這是由于電子與空穴直接復(fù)合而放出能量的結(jié)果。,3.5.4.2 發(fā)光二極管,激光二極管的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，其端面經(jīng)過(guò)拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的