第1章常用半導(dǎo)體器件

第1章半導(dǎo)體二極管及其基本電路

1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3二極管基本電路及其分析方法1.4特殊二極管1.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1半導(dǎo)體1.1.2PN結(jié)根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。

(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價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1.1。

圖1.1硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

（2）電子空穴對當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(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1.2所示。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。圖1.2本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1）

(3)空穴的移動

在外電場的作用下，

自由電子的定向運動形成電子電流；空穴的定向運動也可形成空穴電流。它們的方向運動相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。見圖1.3的動畫演示。（動畫1-2）圖1.3空穴在晶格中的移動注意：載流子自由電子空穴半導(dǎo)體不同于金屬的顯著特點2

雜質(zhì)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)主要是三價或五價元素。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（2）P型半導(dǎo)體

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價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,由本征激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示。圖1.4N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。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。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，由本征激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示。圖1.5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1.5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用下產(chǎn)生的運動。其運動產(chǎn)生的電流方向一致。擴散運動：由于載流子濃度的差異，而形成濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動。半導(dǎo)體的載流子運動和溫度特性一、載流子的運動二、雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm31.1.2PN結(jié)1、PN結(jié)的形成2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的電容效應(yīng)1PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(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1.6PN結(jié)的形成過程（動畫1-3）PN結(jié)形成的過程可參閱圖1.6。2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流（PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)）；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流（PN結(jié)處于截止狀態(tài)）。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容CB，

二是擴散電容CD。

(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，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1.9。圖1.9勢壘電容示意圖

擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到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)擴散電容CD反之，由P區(qū)擴散到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。擴散電容的示意圖如圖1.10所示。

圖1.10擴散電容示意圖當(dāng)外加正向電壓不同時，擴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。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的參數(shù)1.2.1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，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.11所示。(1)點接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型圖01.11二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.11二極管的結(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1.2.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線式中IS為反向飽和電流，u為二極管兩端的電壓降，UT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有UT=26mV。

半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示(1.1)圖01.12二極管的伏安特性曲線圖示材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.6~0.8V0.1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.1V左右。

當(dāng)0＜u＜Uth時，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。

當(dāng)u＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當(dāng)u＞Uth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。(2)反向特性當(dāng)u＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當(dāng)UBR＜u＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)u<=UBR時，反向電流急劇增加，UBR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。從擊穿的機理上看，硅二極管若|UBR|≥7V時,主要是雪崩擊穿；若|UBR|≤4V時,則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點。2、伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移1.2.3半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，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UBR———和最大反向工作電壓UR

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

(3)反向電流IR

(4)正向壓降UF(5)動態(tài)電阻rd在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，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。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=UF/IF二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)電容為擴散電容與勢壘電容之和。擴散路程中電荷的積累與釋放空間電荷區(qū)寬窄的變化有電荷的積累與釋放1.3二極管基本電路及其分析方法1.3.1二極管的等效電路1.3.2二極管電路模型分析法1.3.1半導(dǎo)體二極管的等效模型

線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰當(dāng)?shù)脑M行等效，建立相應(yīng)的模型。（1）理想二極管模型：相當(dāng)于一個理想開關(guān)，正偏時二極管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。（2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V。該模型提供了合理的近似，用途廣泛。注意：二極管電流近似等于或大于1mA正確。（3）折線模型：修正恒壓降模型，認為二極管的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個電池和電阻rD來作進一步的近似，此電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Uth，約為0.5V，rD的值為200歐。由于二極管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。（4）小信號模型：如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如靜態(tài)工作點Q（此時有uD=UD、iD=ID）附近工作，則可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型的微變電阻rd。三、二極管的等效電路

1、將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用2、微變等效電路Q越高，rD越小。在一直流電壓和電流的基礎(chǔ)上的低頻小信號下的等效電路。半導(dǎo)體二極管的型號國家標準對半導(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)體二極管圖片例1：二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuOuiuott二極管半波整流1.4特殊二極管

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，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應(yīng)用電路如圖01.14所示。特殊二極管包括穩(wěn)壓管、光電二極管、發(fā)光二極管等，下面著重介紹穩(wěn)壓二極管。1.4.1穩(wěn)壓二極管

圖01.14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UZ——(2)動態(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。

其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(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=UZ/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。反向工作時PN結(jié)的功率損耗為

PZ=UZIZ，由

PZM和UZ可以決定IZmax。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin—————

穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin對應(yīng)UZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ

溫度的變化將使UZ改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)UZ

＞7

V時，UZ具有