模电课件第2章半导体二极管及其基本电路1.ppt

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1、第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 二极管基本电路及其分析方法 2.4 特殊二极管,本章基本教学要求,熟练掌握二极管的外特性及主要参数,正确理解PN结的单向导电性,掌握二极管的大信号和小信号电路模型,一般了解半导体的导电机理性,本章重点内容,半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要参数。,二极管的应用和二极管电路的分析方法,硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。,本章难点内容,器件内部的物理过程。,器件特性的物理概念。,2.1 半导体的基本知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率

2、为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,2.1.1 本征半导体及其导电性,(1)本征半导体的共价键结构,(2)电子空穴对,(3)空穴的移动,本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。,(1)本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图2.1。,（2）电子空穴对,当导体处于

3、热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图2.2所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图2.2 本征激发和复合的过程（动画2-1）,(3) 空穴的移动,自由电子的定向运动形成电子电流。相邻共价键中的价电子

4、依次充填空穴可视为形成了空穴电流，它们的大小相等方向相反。见图2.3的动画演示。,（动画2-2）,图2.3 空穴在晶格中的移动,2.1.2 杂质半导体,(1) N型半导体 (2) P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,(1）N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它

5、主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导 体的结构示意图如图2.4所示。,图2.4 N型半导体结构示意图,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中: 空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图 如图2.5所示

6、。,图2.5 P型半导体的结构示意图,图2.5 P型半导体的结构示意图,2.1.3 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,2.2 PN结,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结的电容效应,2.2.1 PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子

7、扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。,PN 结形成 的过程可参阅图2.6。,2.2.2 PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。,(1) PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削

8、弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如图2.7所示。,（动画2-4）,图2.7 PN结加正向电压 时的导电情况,(2) PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散 电流，PN结呈现高阻性。,在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，

9、基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况如图2.8所示。,图 2.8 PN结加反向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,（动画2-5）,图 2.8 PN结加反向电压时的导电情况,2.2.3 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。,(1) 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的

10、厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图2.9。,图 2.9 势垒电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,(2) 扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如图2.10所示。,图 2.10 扩散电容示意图,当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆

11、积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。,2.3 半导体二极管,2.3.1,半导体二极管的结构类型,2.3.2,半导体二极管的伏安特性曲线,2.3.3,半导体二极管的参数,2.3.4,半导体二极管的温度特性,半导体二极管的型号,2.3.5,2.3.1 半导体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图2.11所示。,2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为

12、玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,半导体二极管的伏安特性曲线如图2.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,(2.1),图 2.12 二极管的伏安特性曲线,图示,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压 Vth=0.5 V左右 锗二极管的死区电压 Vth=0.2 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,(2) 反

13、向特性,当V0时，即处于反向特性区域。 反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击 穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得 零温度系数点。,2.3.3 半导体二极管的参数,半导体二极管

14、的主要的参数介绍如下：,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。,(2) 反向击穿电压VBR 和最大反向工作电压VRM,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,(5) 动态电阻rd,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF,2.

15、3.4 半导体二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV， 即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示 二极管的伏安特性曲线上看出。,图2.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,2.3.5 半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非

16、线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,例2.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,2.4.2 二极管正向V-A特性的建模,根据二极管在实际电路中工作状态和对分析精度的不同要求，可以为二极管建立不同的模型，常用的二极管模型有以下几种：,2.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-

17、I 特性的建模,将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,1. 理想二极管模型,在实际的电路中，当电源电压远比二极管的压降大时，利用此模型来近似分析是可行的。该模型的特点是：二极管反向偏置时电流为零，而正向偏置时，其管压降为零。,图2.14 理想二极管等效模型 (a)电路符号 (b)VI特性,该模型的基本思想是当二极管正向导通后，其管压降认为是恒定的且不随电流而变，典型值硅管为0.7V，锗管为0.3V，但只有当二极管正向电流大于或等于1mA时才是正确的。,2. 恒压降模型,图2.15 恒压降等效模型 (a)电路符号 (b)VI特性,3. 折线模型,为了较真实地描述二极管伏安特性，在恒

18、压降等效模型的基础上作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加而增加。,图2.16 折线等效模型 (a)电路模型 (b)V-I特性,4. 小信号模型,如果二极管在它的伏安（V-I）特性的某一小范围内工作，例如在静态工作点Q(即V-I特性上的一个点,此时vD=VD，iD=ID)附近工作，则可把VI特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。,图2.17 小信号模型 （a)V-I特性(b)电路符号,取iD对vD的微分，有：,由此可得,例如，当Q点上的ID=2mA时，rd=26mV/2mA=13,2模型分析法应用举例,（1）整流电路,（a）电

19、路图 （b）vs和vo的波形,2模型分析法应用举例,（2）静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,2模型分析法应用举例,（3）限幅电路,电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。,2模型分析法应用举例,（4）开关电路,电路如图所示，求AO的电压值,解：先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，

20、D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。,2模型分析法应用举例,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。,2.4 特殊 二极管,除了前面所讨论的普通二极管外，在电子器件的发展过程中还研制了若干种特殊二极管，如稳压二极管、光敏二极管、发光二极管、变容二极管等，介绍如下：,1. 稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特

21、性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图2.18所示。,图见下页,图 2.18 稳压二极管的伏安特性,(a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路,(b),(c),从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(2) 动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热

22、等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,(5)稳定电压温度系数VZ,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,稳压二极管在工作

23、时应反接， 应串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,(c),3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,2.发光二极管,发光二极管是一种将电能直接转化为光能的器件，简称LED。常用元素周期表中、族元素的化合主物,如砷化镓、磷化镓等所制成的。当管子通以电流时将发光,这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果，发光颜色由所用材料决定，目前有白、红、绿、黄、橙、蓝等颜色。发光二极管常用作显示器件，省电。也可在光电传输系统中将电信号转化为光信号。 工作电流10mA、电压2

24、v左右。注意限流、分压。,发光二极管,3.光电二极管,光电二极管又称光敏二极管，它的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的玻璃窗口能接受外部的光照。其主要特点是，它的反向电流与光照成正比 光电二极管可用作光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。当制成大面积的光电二极管时，可作为一种能源，称为光电池。,图2.19 光电二极管 （a)电路符号 （b)特性曲线,4.变容二极管,二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减少，这种效应显著的二极管称为变容二极管。其电容量最大值大概为5300pF，最大电容与最小电容之比约为51。变容二极管在高频技术中应用较多如彩电电子调谐器。,图2.20 变容二极管 （a)电路符号 （b)结电容与电压的关系,肖特基二极管,（a）符号 （b）正向V-I特性,激光二极管,（a）物理结构 （b）符号,