半导体二极管及其基本电路

半导体二极管及其基本电路半导体的基本知识半导体材料1．半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

2．常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。

3．半导体的特点：导电能力介于导体与绝缘体之间受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。

在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。

半导体的共价键结构Si、Ge是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结，具有晶体结构。

本征半导体、空穴及其导电作用1．本征半导体：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

2．本征激发：T=0K以上，价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。

3．空穴：本征激发价电子成为自由电子后，共价键上留下的空位。

空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样可以参加导电。

邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，使共价键中出现一定的电荷迁移。

空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。

空穴也是一种载流子，这种载流子的运动，是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的。

本征半导体中的自由电子和空穴数相等。

杂质半导体1．P型半导体：在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼、铟，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。

P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生）。

当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，半导体呈中性。

2．N型半导体：在硅或锗的晶体中掺入五价元素，如磷、砷、锑，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键，多余的一个价电子在室温下就可以成为自由电子。

杂质原子变成带正电荷的离子。

由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。

在N型半导体中多数载流子是电子，空穴为少数载流子。

PN结的形成及其特性PN结的形成在同一块半导体中，一边掺杂成N型，另一边掺杂成P型，在N型、P型半导体的交界面上形成PN结。

→P区和N区载流子多子浓度差引起多子向对方扩散P区留下了带负电的杂质离子,N区留下了带正电的杂质离子，集中在P和N区交界面附近。

→扩散产生空间电荷区（耗尽区）和内电场（从带正电的N区指向带负电的P区）。

→内电场阻止扩散，促使少子漂移，漂移运动使空间电荷区变窄。

→内电场削弱，扩散加强→扩散与漂移达到动态平衡形成PN结。

接触电位差：PN结空间电荷区的N区的电位要比P区高，其差值用Vo表示。

PN结的单向导电性1. PN结正偏：→外加正向电压（P区接正极、N区接负极）外加电场与PN结内电场方向相反，VF称为正向电压。

P区中的多数载流子空穴向PN结移动，和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。

N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少。

→空间电荷区变窄，内电场减弱→扩散大于漂移→多子扩散形成大的正向电流I F。

当外加电压VF稍有变化（如0.1V），便能引起电流的显著变化。

由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计。

图3.2.1 PN结正偏图 3.2.2 PN结反偏2. PN结反偏→外加反向电压（P区接负、N区接正）电场方向与PN结内电场方向相同，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结。

→空间电荷区变宽，内电场增强多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。

→漂移大于扩散→少子漂移形成很小的反向电流I R（一般为微安数量级）I R 几乎与外加电压V R 无关。

在一定温度T 下，热激发产生的少数载流子数一定，电流值趋于恒定。

这时的反向电流I R 就是反向饱和电流，用Is 表示。

Is 受温度的影响较大。

PN 结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。

3. PN 结的伏安特性图3.2-3 半导体二极管的伏安特性 )1(-=T D nV v s D e I iV T 为温度的电压当量=kT/q ，其中k 为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K ），T 为热力学温度即绝对温度，q 为电子电荷（1.6×10–19C ），n=1～2，为发射系数，与PN 结尺寸、材料和通过的电流有关。

在T=300K 时，V T ≈26mV 。

正向当D v ＞0，且D v ＞V T 时，T D nV v s D e I i =；反向当v D ＜0，且T D V v >||时，i D ≈–I S ≈0。

图3.2.4 反向击穿反向击穿反向击穿（电击穿）：当反向电压的绝对值达到V BR（反向击穿电压）后，反向电流会突然增大。

在反向电流很大的变化范围内，二极管两端电压几乎不变。

电击穿过程是可逆的。

热击穿：PN结电击穿后电流很大，电压又很高，容易使PN结发热，超过它的耗散功率会热击穿。

PN结的电流和温升之间出现恶性循环，从而很会把PN结烧毁。

电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。

1.雪崩击穿：→PN结反向电压增加，空间电荷区中的电场随着增强。

→通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，与晶体原子又发生碰撞，使共价键中的电子激发形成自由电子–空穴对（碰撞电离）。

→新产生的电子和空穴又可通过碰撞，再产生电子–空穴对（载流子的倍增效应）。

→载流子增加得多而快，反向电流急剧增大，PN结就发生雪崩击穿。

2. 齐纳击穿：→PN结空间电荷区中强电场，直接破坏共价键将束缚电子拉出造成电子–空穴对。

杂质浓度特别大的PN结中，空间电荷区内电荷密度大，空间电荷区很窄，电场强度可能很高。

如稳压管（齐纳二极管）。

PN结的电容效应1. 扩散电容C D：PN结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。

积累的电荷量随外加电压变化，引起电容效应而形成扩散电容。

2. 势垒电容C B：PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化。

PN结反向偏置时，当外加电压升高时，电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从C B放电，耗尽区增宽。

当外加电压降低时，N区电子和P区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向C B“充电”，耗尽区变窄。

C B是非线性电容，与结电阻并联，PN结反偏时作用不能忽视，高频时对电路的影响大。

正向偏置时结电阻很小，影响小。

C B的大小与PN结面积S成正比，与耗尽区厚度成反比，与平行板电容器相似。

C D是非线性电容。

PN结正偏时，C D较大。

反偏时载流子数目很少，C D较小。

（3）PN结的高频电路：二极管二极管的结构1．点接触型二极管：一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）熔接，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。

极间电容很小，不能承受高的反向电压和大的电流。

可用来作小电流整流、高频检波及开关管。

2．面接触型二极管：PN结面积大，可承受较大的电流，极间电容也大。

这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。

硅工艺平面型二极管是集成电路中常见的一种形式。

图3.3.1 半导体二极管结构二极管的V-I特性二极管的V–I特性和PN结的V–I特性基本相同。

图3.3.2 二极管的V–I特性1．正向特性第1段为正向特性，正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流迅速增长，正向电阻很小。

硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0.5V，锗管的Vth约为0.1。

2．反向特性反向饱和电流很小，如图第2段所示，一般硅管的反向电流比锗管小得多。

温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流将随之急剧增加。

3．反向击穿特性当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿，对应于第3段，原因和PN 击穿相同。

二极管的主要参数1．最大整流电流F I二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN 结的结面积和外界散热条件决定。

超过此值，会烧坏二极管。

2．最大反向工作电压R V二极管使用时所允许加的最大反向电压，超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。

通常取反向击穿电压的一半作为R V 。

3．反向电流R I二极管击穿时的反向电流值。

此值越小，二极管的单向导电性越好。

4．极间电容d CB D dC C C +=5. 反向恢复时间RR T正偏翻转到反偏，反向电流先大后小。

扩散电容D C 的影响。

二极管基本电路及分析方法图解分析法外电路特性 + V —I 特性二极管电路的简化模型分析法1． 二极管V —I 特性的建模（1）理想模型理想二极管在正向偏置时，其管压降为0V，反向偏置时，它的电阻为无穷大，电流为零。

图3.4.1 理想模型（2）恒压降模型当二极管导通后，其管压降认为恒定，不随电流而变（硅管典型值为0.7V）。

此模型提供了合理的近似，因此应用较广。

当二极管的电流i D等于或大于1mA时才是正确的。

图3.4.2 恒压模型 图 3.4.3 折线模型（3）折线模型对恒压降模型的修正，二极管的管压降随着通过二极管电流增加而增加。

模型中用一个电池和一个电阻r D 近似。

电池电压为二极管的门坎电压Vth(约为0.5V)。

（4）小信号模型二极管在静态工作点Q （D v =V D ，D i =I D ）附近工作，V-I 特性看成为一条直线，其斜率的倒数是微变电阻r d 。

DD d di dv rr d 的数值可从二极管的V-I 特性表达式导出。

(当T=300K 时)2. 模型分析法应用举例1）整流电路2）二极管电路静态工作情况分析例1．设二极管电路如a 所示，R=10k ，图b 是它的习惯画法。

对于下列两种情况，求电路的I D 和V D 的值：（1）V DD =10V ；（2）V DD =1V 。

在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。

解：（1）V DD =10V使用理想模型得V D =0V ，I D =V DD /R=10V/10k=1mA使用恒压降模型得V D =0.7V ，使用折线模型得V D =0.5V+I D r D =0.5V+0.931mA ×0.2k=0.69V(2) V DD =1V使用理想模型得使用恒压降模型得使用折线模型得 I D =0.049mA ，V D =0.51V3）限幅电路i v 使二极管正向偏置。

当i v 小于二极管导通电压时，二极管不导通；i v 超过二极管的导通电压，二极管导通，o v 的值被限制在一定范围内。

4）开关电路当其两端电压低于导通电压时，二极管不导通，相当于开关断开；当其两端电压超过导通电压时，二极管导通，相当于开关接通。

开关特性在数字电路是得到广泛的应用。