第2章半导体二极管及其基本电路

di dv
Q
V VT
i I S (e 1)
Q
Is e VT
v VT
VQ
Q
I se VT
VT

IQ VT
VT 26(m V) rd (T 300K时） IQ IQ
rd与静态工作电流有关。
2-4-2 二极管模型分析法 1、静态分析 ①图解法 R VDD VD ID IQ VQ
(3) PN 结的V-I特性
iD
iD I S (e
vD
vD VT
1)
IS 反向饱和电流 IS
VT 温度的电压当量
VT =kT /q
K=1.38×10-23（J/K）
q=1.6×10-19C
T 绝对温度
当T=300K时 VT≈26mV
1) 加正向电压
vD>0
e e vD 0.1V iD I S e
2-3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构
半导体二极管是由PN结加电极引线封装而成的， 其结构有： 点接触型 ，PN结面积小，极间电容小，高频特性 好，但反向耐压较低，正向电流较小。用于高频 检波、开关器件等。 面接触型，PN结面积大，反向耐压较高，正向电 流较大，用于整流。 二极管的符号
⑵ 扩散电容CD
描述PN结正偏时，注入的非平 衡少子在扩散过程中因积累产 非平衡少子 生的电容效应。 PN结正偏时： P区空穴到达N区成为非平衡 少子，一面扩散，一面与 电子复合，浓度逐渐下降， 在结的边缘处有空穴的积 累； 同样，N区的电子到达P区， 在结的边缘处也有积累。 正向电压越大，正向电流加 大，积累的非平衡少子越 多，扩散电容加大。
内建电场 由空间电荷形成的电场。 内建电场阻止多子的扩 散运动。 漂移运动 载流子在电场作用下产 生的运动。 内建电场有利于少子的 漂移运动。 扩散与漂移达到动态平 衡时，形成PN结。 动态平衡时流过PN结的 总电流为0。
P
E
N
电位 分布图 电子势能 分布图
-qV0
结区
V0
势垒区 空间电荷在结区内形成 电位差， 称接触电位差或结电压
Vo: 硅 0.6～0.8V
锗 0.1～0.3V
2.2.2 PN结的单向导电性
(1) 外加正向电压
外电场 VF
正向偏置: P区接电源＋端 N区接电源－端
①在外电场的作用下 P区空穴向结区运动，中 和部分负离子。 N区自由电子向结区运动， 中和部分正离子。 ∴空间电荷减少， 结区变窄。
内电场
②P区、N区为低阻区，结区为高阻区，所以外加 电压主要加在结区，抵消内电场的作用。 ∴ 结内电位差减小，势垒减小。
4、PN结的电容 在电路理论中定义：一个二端器件，可存储电荷，且 存储的电荷与两端电压相关，则该器件为电容。 PN结具有电容效应，主要表现在两方面： ⑴ 势垒电容CB
描述PN结内空间电荷随外加电压变化产生的电容效应。
反向电压增加 空间电荷区宽度增加, 空间电荷增加(正负离子) 外加电压的变化会引起空间电荷的变化
② 结内电位差增加， 势垒提高。
V0+VR
③多子的扩散电流趋于0， 由少子的漂移电流产生反向电流。 少子浓度很小，所以反向电流很小。 PN结反向截止，反向截止电阻很大。 少子由本征激发产生，其浓度与材料及温度有关， 所以反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随 温度增加急剧增大
结论: ◆加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加 电压很小变化，将引起电流的较大变化。 ◆加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电 流的大小几乎与反向电压无关。 ◆ PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。
PN结总的结电容 ：CJ=CB+CD 正向偏置：主要表现为扩散电容 CJ≈CD 反向偏置：扩散电容CD=0 表现为势垒电容 CJ≈CB 结电容是影响二极管高频特性的主要因素，将 破坏二极管的单向导电性。 PN结高频等效电路 r cj 正向偏置，r小，结电容较大， 但影响小。 反向偏置，r大，结电容较小， 但影响大。
PN 结区
P
N
浓度差产生多子的扩散运动， 扩散破坏了原来的电中性, P区失去空穴，留下负离子。 N区失去电子，留下正离子。 正负离子的数量相等。 在P区和N区交界面附近， 形成由不能移动的正负离 子组成的区间称空间电荷 区，也称PN结区。
p n 空间电荷区宽度与 杂质浓度成反比。
P
E
N
结区
耗尽层 PN结内由于扩散与复合， 使载流子几乎被耗尽， 是高阻区。 也称为阻挡层。
正极 (P)
负极 (N)
2.3.2 二极管的V-I特性
iD
理想P VT
1)
Vth
实际二极管的V-I特性与PN结 特性基本相同。
1、正向特性：
存在门坎电压Vth （死区电压） 硅0.5V
锗0.1V
正向导通时压降很小，硅 0.6～0.8V（估算值0.7V)
光照：光照使电阻率降低。 掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。 纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由 2.3×105· cm降至0.4 · cm。 利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体 器件。
2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构
1、原子结构
硅
+14
锗
+32
共同特点：
最外层具有4个价电子。 +4
锗0.2～0.3V（估算值0.2V)
2、反向特性 电压小于反向击穿电压时，反向电流很小， 硅管 ：＜1μA 、 锗管：几十～几百μA 反向电流几乎不随反向电压变化，但随温度增 加急剧增大。 3、反向击穿特性 当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速 增大，产生反向击穿。
思考题:
如何用模拟式万用表 判别二极管正负极,测 量正反向电阻？ I 正向导通 红表笔 还是反向 截止？ Rx
2-1-4 杂质半导体
1. P型半导体
本征激发产生 电子-空穴对。
+4
在本征半导体中掺入微量 3价元素（如硼）形成 。
+4 +3 +4 +4
三价杂质称为 受主杂质。
杂质原子获得一个 电子成为负离子。 硅原子的共价键上 缺少一个电子形成 空穴
空穴-----多数载流子（多子） 每一个三价杂质原子产 电子-----少数载流子（少子） 生一个空穴-负离子对。
vD
iD
3、折线模型
iD
vD
iD
ID
iD
vD
VthVD
vD
二极管的正向压降随流 过二极管正向电流的增 加而线性增加。一般用 于电源电压较小，工作 电流较小的场合。
iD
vD
Vth rD
根据二极管的电流ID和管 压降VD可以求出rD
Vth:门坎电压 (硅管一般取0.5v),
VD Vth rD ID
结论
◆掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性 能大增。 ◆掺入五价杂质产生N型半导体（电子型半导体）。 多子—电子、少子—空穴。 ◆掺入三价杂质产生P型半导体（空穴型半导体）。 多子—空穴、少子—电子。 ◆多子浓度近似等于杂质浓度， 少子浓度与温度密切相关。
2-2 PN结的形成及特性
1、 PN结的形成
2.4 二极管基本电路及其分析方法
二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路 一般采用图解法和模型分析法。 2.4.1 二极管正向 v—i的建模 1、理想模型
iD vD iD vD
iD＞0→vD=0
vD＜0→iD=0
iD
vD
iD
vD
2、恒压降模型
iD vD iD vD
iD
vD
二极管正向导通时，认为 其管压降VF=常数 （硅管取0.7V)。 用于直流分析时，电源电 压较大，工作电流较大， （>1mA)，正向电压变化 较小的情况。
iD
vD
强电场使自由电子和空穴的数目大大增加， 从而使反向电流急剧增加。 热击穿 PN 结温度过高，将结烧坏。
PN 结电击穿的形式： ① 雪崩击穿： 发生在搀杂浓度较小的PN结。 少子在高反压作用下，以很大能量碰撞束缚电子而形 成的连锁反应。 特点：击穿电压较大，（>6V) 反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。 ②齐纳击穿 （场致击穿） 发生在搀杂浓度较高的PN结。 反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共 价键的电子直接大量吸引出来而产生的。 特点：击穿电压较小(<6V)， 反向击穿电压随温度上升而减小(负温度系数)。
vD VT
0.1 VT
0.1 0.026
46.8 1
iD vD VT ln IS
2) 加反向电压 vD<0
e e 0.021 1 vD 0.1V iD I S
0.1 VT
0.1 0.026
i D 几乎与反向电压的大小无关
3、PN 结的反向击穿
反向击 电击穿 穿 反向电压增加到一定数值时， 反向电流剧增， 这种现象称为反向击穿。（电击穿) 击穿时的反向电压称为反向击穿电压 V PN BR 结电击穿的原因： IS
2 N型半导体
在本征半导体中掺入少量的 五价元素（如磷）形成。 杂质原子多余的一个价 电子容易挣脱原子核的 束缚变成自由电子。 杂质原子失去一个 电子成为正离子。 每一个5价杂质原子 产生一个电子-正离子对。
本征激发：电 子-空穴对。
5价杂质-----施主杂质
电子-----多子载流子 空穴-----少子载流子
势垒电容的特点: ▲存储的电荷是正负离子，不是载流子，“充、放” 电是由载流子与离子的中和或取出产生的。 ▲非线性电容，电容值随外加电压而变化 。 变容二极管：
v 利用势垒电容特性而制作的 特殊二极管。
工作时必须加反偏电压，
反偏电压增大，电容C减小。 用于自动调谐电路，调频 振荡器，自动频率微 调……