模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-第二章常用半導(dǎo)體器件課件

第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識2.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.3半導(dǎo)體的溫度特性物質(zhì)按導(dǎo)電能力(電阻率)分:導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。例如:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)

(1）本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價(jià)元素，有四個(gè)價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖01.01。

圖2.01硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

（2）電子空穴對當(dāng)溫度0K時(shí)，半導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光照時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的可掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖01.02所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。圖2.02本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動(dòng)畫2-1）2.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(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。

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.04所示。圖2.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.05所示。圖2.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖2.2PN結(jié)2.2.1PN結(jié)的形成2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(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程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

2.2.1

PN結(jié)的形成

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(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。

圖2.06PN結(jié)的形成過程（動(dòng)畫2-3）

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)如圖2.07所示。

（動(dòng)畫2-4）圖2.07PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)如圖2.08所示。圖2.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（動(dòng)畫2-5）圖2.08PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖2.09。圖2.09勢壘電容示意圖

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖2.10所示。

圖2.10擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.11所示。(1)點(diǎn)接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型圖2.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管—PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型2.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

二極管伏安特性曲線如圖2.12所示。第一象限:正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。圖2.12二極管的伏安特性曲線(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

1)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，二極管截止;正向區(qū)又分為兩段：2)V＞Vth時(shí)，正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(2)反向特性當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

1)當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，出現(xiàn)反向飽和電流IS,很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化。2)當(dāng)V<VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很??；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓

<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。—PN結(jié)燒毀。(擊穿電壓

>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在

6V

左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時(shí),則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有2.3.3半導(dǎo)體二極管的參數(shù)幾個(gè)主要參數(shù)：

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。

(3)反向電流IR在室溫下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。

(4)正向壓降VF(5)動(dòng)態(tài)電阻rd在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=VF/IF(6)最高工作頻率fmax(7)結(jié)電容Cj2.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加.硅管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時(shí)，管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。如圖2.13所示。

圖2.13溫度對二極管伏安特性曲線的影響圖示2.3.5半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片1）理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=2.4二極管的基本電路及其分析方法uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)2）二極管的恒壓降模型uDiDUthUI斜率1/rDrD1Uth3）二極管的折線近似模型Vth=0.5V4.小信號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（T=300K）Uth硅二極管，R=2k，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時(shí)IO和UO的值。例1理想模型恒壓降模型[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–Uth=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒壓降模型電路如圖，求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例2：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例4：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––判斷二極管工作狀態(tài)的方法？練習(xí)

判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。2.3.6穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，符號和典型應(yīng)用電路如圖2.14所示。圖見下頁

圖2.14穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(c)(a)圖示

從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。

(1)穩(wěn)定電壓VZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ

(3)最大耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反