第1章 半導體二極管

1半導體二極管1.1半導體的基本知識1.2PN結的形成及特性

1.3二極管1.5特殊二極管1.4二極管電路例題半導體材料：半導體的特點：

根據物體導電能力(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3～109

cm。常用材料的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導電能力不同于導體、絕緣體1.1半導體的基本知識返回導電能力在外界光和熱的刺激時發(fā)生很大變化——光敏元件、熱敏元件摻進微量雜質，導電性能顯著增加——各類半導體摻雜用半導體：B，P，Al等

原子按一定規(guī)律排列，形成晶體點陣后：1.1.1半導體的共價鍵結構半導體材料用得最多的是硅（Si)和鍺（Ge)，它們都是四價元素，簡化原子結構為：

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖(c)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵共價鍵結構平面示意圖1.1.2本征半導體及本征激發(fā)本征半導體——完全純凈的、結構完整的半導體晶體。載流子——可以自由移動的帶電粒子

電導率——與材料單位體積中載流子數有關，載流子濃度越高，電導率越高返回

T＝0K（K=273+oC)時，本征半導體的價電子被共價鍵束縛，無載流子，不導電，相當于絕緣體。

T＝300K（室溫)或有外界刺激時，本征半導體的價電子獲得足夠能量掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子——本征激發(fā)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子空穴對

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。自由電子

因熱激發(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。本征激發(fā)或熱激發(fā)動畫1-1空穴所以晶體中的載流子有兩種：自由電子、空穴空穴是帶正電的粒子，與電子的電量相等符號相反。本征半導體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，任何時刻濃度相等，ni=Pi，只與溫度有關。返回

復合——自由電子可以與空穴復合形成新的填充的共價鍵

溫度一定時，載流子的復合率等于產生率——動態(tài)平衡1.1.3雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半導體（電子型半導體）在本征半導體中摻入5價的元素(磷、砷、銻

)失去電子成為穩(wěn)定的正離子+5易成為自由電子在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。返回1.空穴數=本征激發(fā)的空穴數2.所摻雜質稱為施主雜質（或N型雜質、施主原子)3.自由電子濃度（n）=本征激發(fā)的自由電子濃度（p)+施主雜質自由電子濃度（ND）4.自由電子為多數載流子（多子）；空穴為少數載流子(少子）在無外電場時，呈電中性N型半導體的特點+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+32.P型半導體（空穴型半導體）在本征半導體中摻入3價的元素（硼）得到電子成為不能移動的負離子返回硅或鍺原子的共價鍵缺少一個電子形成了空穴電子數=本征激發(fā)電子數；所摻雜質稱為受主雜質（或P型雜質、受主原子）；總空穴濃度（p)=本征激發(fā)的空穴濃度（n)+受主雜質的濃度（NA）；空穴為多數載流子（多子），電子為少數載流子(少子）；在無外電場時，呈電中性P型半導體的特點注意：在本征半導體中摻入雜質（例如N型雜質），可提高多子（電子）的濃度，也使電子與空穴的復合幾率增加，這樣少子（空穴）的濃度會降低。一定溫度下，摻雜前后的電子空穴濃度的乘積為常數，即

因為所以例：純凈硅，室溫下，ni=Pi=1010/cm3數量級硅晶體中硅原子數為1022/cm3數量級摻入百萬分之一（10-6）的雜質，即雜質濃度為：1022×10－6＝1016/cm3若每個雜質給出一個載流子，則摻雜后的載流子濃度為：1016＋1010

1016/cm3數量級比摻雜前增加106倍，即一百萬倍??！摻入微量雜質，導電能力將很大提高

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

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型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質對半導體導電性能的影響PN結的形成及特性1.2PN結的形成及特性1.2.1載流子的漂移與擴散1.2.2PN結的單向導電性1.2.3PN結的伏安特性

1.2.4PN結的反向擊穿1.2.5PN結的電容效應返回1.2.1載流子的漂移與擴散在一塊本征半導體中,通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。+五價的元素+三價的元素產生多余電子產生多余空穴返回

N區(qū)

P區(qū)

用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成P型半導體區(qū)域和N型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成一個PN結。P區(qū)N區(qū)P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復合N區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合空間電荷區(qū)內電場方向PN結的形成返回空間電荷區(qū)內電場方向

在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡。P區(qū)N區(qū)多子擴散少子漂移返回

在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定。內電場阻擋多子的擴散運動，推動少子的漂移運動。空間電荷區(qū)內電場方向PN多子擴散少子漂移結論：在PN結中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。返回3.2.2PN結的形成

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動

由雜質離子形成空間電荷區(qū)

PN結中的兩種運動返回漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。返回PN結的幾種叫法：留下的是不能運動的離子——空間電荷區(qū)。多子都擴散到對方被復合掉了——耗盡層。形成的內電場阻止擴散運動——阻擋層。形成的內電場具有電位梯度，稱接觸電位差（很?。獎輭緟^(qū)。1.2.1PN結的單向導電性

1.PN結加正向電壓——正偏置動畫返回返回外電場方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，多子向PN結移動?？臻g電荷變窄，擴散電流加大，遠大于漂移電流。外內PN結加正向電壓時的導電情況形成正向電流多子向PN結移動空間電荷變窄內電場減弱擴散運動大于漂移運動PN結在外加正向電壓時的情況外加電場與內電場方向相反，削減內電場的作用外加電壓變化一點，勢壘（電流）變化很多

低電阻特性大的正向擴散電流PN結正偏時的勢壘情況2.PN結加反向電壓——反偏置PN結加反向電壓時的導電情況外電場與PN結內電場方向相同，增強內電場?？臻g電荷區(qū)變寬，內電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小，漂移電流加大，少子漂移電流大于擴散電流。內外形成反向電流多子背離PN結移動空間電荷區(qū)變寬,內電場增強漂移運動大于擴散運動PN結的外加反向電壓時的情況外加電場與內電場方向一致，增強內電場的作用

高電阻很小的反向漂移電流

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，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結反偏時的勢壘情況PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。1.2.3PN結伏安特性

PN結V-I特性表達式iD——PN結電流IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量在常溫下（T=300K）n

——發(fā)射系數，與PN結尺寸、材料等有關，1－2，一般取1vD——PN結外加電壓②當二極管的PN結兩端加反向電壓時，VD為負值，VD比

VT大幾倍，返回①當二極管的PN結兩端加正向電壓時，VD為正值，VD比VT大幾倍，，iD與VD成指數關系。1.2.4PN結的反向擊穿當外加的反向電壓大于一定的數值（VBR：擊穿電壓）時，反向電流急劇增加，稱為擊穿。雪崩擊穿：雪崩擊穿和齊納擊穿形成電子空穴對（碰撞電離）通過PN結的少子獲得能量大與晶體中原子碰撞使共價鍵的束縛電荷掙脫共價鍵PN結反向高場強載流子倍增效應齊納擊穿：形成電子空穴對直接將PN結中的束縛電荷從共價鍵中拉出來PN結電場很大很大反向電流齊納擊穿需要很高的場強：2×105V/cm只有雜質濃度高，PN結窄時才能達到此條件——齊納二極管（穩(wěn)壓管）電擊穿:當反向電流與電壓的乘積不超過PN結容許的耗散功率時,稱為電擊穿，是可逆的。即反壓降低時,管子可恢復原來的狀態(tài)。熱擊穿:若反向電流與電壓的乘積超出PN結的耗散功率,則管子會因為過熱而燒毀,形成熱擊穿——不可逆。熱擊穿和電擊穿

雪崩擊穿、齊納擊穿——可逆電容：可存儲、釋放電荷（電場能量）的電器元件介質金屬板PN結具有電容效應，耗盡層電導率低，相當于介質；P、N型區(qū)相對來說電導率較高，相當于金屬板1.2.5PN結的電容效應1.擴散電容CD擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。當外加正向電壓不同時，PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容充放電過程。

2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。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。

考慮PN結的電容效應后，高頻或開關狀態(tài)時，等效為：1.3二極管

1.3.1

二極管的結構

1.3.2

二極管的伏安特性

1.3.3

二極管的主要參數1.3.1二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結構示意圖PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于低頻、大電流整流電路,不宜用于高頻。(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。無論是點接觸型、面接觸型二極管，電路符號皆為：半導體二極管實物1.3.2二極管的V-I特性二極管的V-I特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性硅管的Vth=0.5V左右鍺管的Vth=0.1V左右

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。1.正向特性-分為兩段：

當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數規(guī)律增長。返回Si管與Ge管V-I特性的差異硅管正向導通壓降約為0.7V鍺管正向導通壓降約為0.2V反向區(qū)也分兩個區(qū)域：當VBR＜V＜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

。2.反向特性返回反向飽和電流：硅管為納安（10－9）級鍺管為微安（10－6）級管子反向擊穿時的電壓值。管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR二極管未擊穿時的反向電流。IR越小，管子的單向導電性越好。特性：IR與溫度有關，T1.3.3二極管的主要參數IR(4)最大正向電壓VF:(5)極間電容Cd:硅管VF＝0.6～0.8V，鍺管為0.1～0.3VVF與溫度有關。T升高,VF減小。代表二極管中PN結的電容效應，Cd=CD+CB(6)最高工作頻率fM:二極管工作的上限頻率，超過此頻率，由于二極管極間電容的存在，二極管的單向導電性將不能體現(xiàn)。指管子流過額定電流IFM時二極管兩端的管壓降。

二極管的參數是正確使用二極管的依據，工程使用中，應特別注意最大整流電流和反向擊穿電壓這兩個參數。1.4二極管電路例題例1.4.1

整流電路如圖1.4.1（a）所示，二極管的死區(qū)電壓和導通壓降可以忽略，為正弦信號，如圖1.4.1（b）所示，分析電路功能，并畫出輸出電壓波形。例1.4.2

電路如圖1.4.2所示，忽略二極管的導通壓降，求AO的電壓值。如何判斷二極管在電路中是導通的還是截止先假設二極管兩端斷開，確定二極管兩端的電位差；若電路出現(xiàn)兩個或兩個以上二極管，應先判斷承受正向電壓較大的管子優(yōu)先導通，再按照上述方法判斷其余的管子是否導通。根據二極管兩端加的是正電壓還是反電壓判定二極管是否導通，若為正電壓且大于閾值電壓，則管子導通，否則截止；解：將二極管兩端斷開所以二極管導通導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陰極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。B例1.4.2

電路如圖1.4.2所示，忽略二極管的導通壓降，求AO的電壓值。解：將二極管兩端斷開所以二極管D2先導通。二極管D2導通后：所以二極管D1最終截止例1.4.3

電路如圖1.4.3所示，忽略二極管的導通壓降，判斷兩個二極管的工作狀態(tài)，并求AO的電壓值。截止解：斷開二極管D：判別二極管是導通還是截止。1.5特殊二極管

1.5.1

穩(wěn)壓管

1.5.6

變容二極管

1.5.5

肖特基二極管1.5.2發(fā)光二極管1.5.3光電二極管1.5.4光電耦合器件1.5.1穩(wěn)壓管1.符號及穩(wěn)壓特性

利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=

VZ/

IZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

工程實際使用中，常常忽略動態(tài)電阻rZ

最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin對應VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數——

VZ取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZM

IR

IZ

IoRLIoIRVRIZIRVoVoVZVR3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO