模电课件―2半导体二极管及其基本电路

模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜2.1半导体基本知识2.2PN结的形成及其单向导电性2.3半导体二极管2.4稳压二极管2.5其他类型的二极管模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜2.1半导体的基本知识2.1.1半导体材料及其导电特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。元素半导体：硅（Si）和锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）等。半导体的导电能力介于导体、绝缘体之间，其导电性能还有其独特的特点。常用的半导体材料有：导体（低价元素）——半导体——绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等——硅、锗、镓等——橡胶、惰性气体等模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜2.1.1半导体材料及其导电特性半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性1.热敏特性：温度升高，导电能力增强。2.光敏特性：受到光照，导电能力增强。3.掺杂特性：在纯净的半导体中掺入杂质，半导体的导电能力增强。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子siSi锗原子GeGe+4+42.1.2本征半导体共价键结构（硅）1.半导体的共价键结构（硅）模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜(a)硅晶体的空间排列价电子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2-2图2-2硅原子空间排列及共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b)共价键结构平面示意图模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体（化学成分纯净）。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”。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。本征半导体的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4束缚电子2.本征半导体中的两种载流子模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的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。空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。本征半导体中的电子空穴对模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+4可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：1031.410cm锗：1332.510cm电子空穴对模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+4E空穴的移动图2-3空穴在晶格中的移动小结：晶体中存在着两种导电的离子（电子、空穴）自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。动画演示由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜半导体的导电机理自由电子带负电荷电子流＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜(1)P型半导体(2)N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。2.1.3杂质半导体模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜1.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+4+4+4+4+4+4+3+4+4硅原子空穴硼原子－－－－－－－－－－－－电子空穴对空穴受主离子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。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+5N型半导体2.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素（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很容易形成自由电子。++++++++++++磷原子硅原子施主离子自由电子电子空穴对多余电子在N型半导体中自由电子是多数载流子,它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。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜2.2PN结的形成及特性N型半导体P型半导体++++++++++++－－－－－－－－－－－－杂质半导体的示意图多子—电子少子—空穴多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关，与掺杂无关多子浓度——与温度无关，与掺杂有关模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜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P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成如下物理过程:两侧载流子存在浓度差杂质离子不移动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动阻止多子扩散运动扩散和漂移达到动态平衡形成PN结多子扩散运动:空穴：PN；电子NP空穴和电子产生复合空间电荷区PN内电场耗尽层V0电位V电子势能PN结的形成过程动画演示PN结模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场EREW2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜(2)加反向电压（反偏）——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。单向导电性动画演示模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结的单向导电性模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜正向特性：指数规律击穿特性：反向特性：反向阻断（1）雪崩击穿载流子获得足够的动能将共价键中的电子碰撞出来产生电子空穴对，新产生的载流子再去碰撞其他的中性原子又产生新的电子空穴对，这种碰撞电离称为雪崩击穿。（2）齐纳击穿空间电荷区内的场强非常高时（掺杂浓度高、阻挡层很薄、容易建立很强的场强）足以把空间电荷区内的中性原子的价电子直接从共价键中拉出来产生自由电子空穴对，这个过程产生大量的载流子使PN结的反向电流剧增呈反向击穿现象叫齐纳击穿。2.2.3PN结的伏安特性模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜3PN的反向击穿反向击穿热击穿电击穿雪崩击穿齐纳击穿PN结两端反向电压增加到一定数值时，反向电流突然增加，这种现象称为反向击穿消耗功率大于耗散功率PN结损坏反向击穿电压VBR0viD反偏反向饱和电流ISIs（少子漂移）正偏IF（多子扩散）消耗功率小于耗散功率击穿过程可逆反向击穿（雪崩击穿和齐纳击穿）模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜•势垒电容外加电压时，二极管PN结空间电荷区中的电荷量随外加电压变化而改变，这显示了电容效应，这个电容称为势垒电容（CB）外加电压使耗尽层变宽空间电荷量增加相当于充电使耗尽层变窄空间电荷量减少相当于放电2.2.4PN结的电容效应模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜•扩散电容在多数载流子的扩散过程中，由外加电压的改变引起扩散区内积累电荷量的变化而产生的电容效应，这个电容称为扩散电容（CD）外加正向电压增加积累电荷量增加相当于充电减小积累电荷量减少相当于放电势垒电容和扩散电容的大小与外加偏置电压的大小有关，所以它们是一种非线性电容，它们都很小，对低频影响不大，但在高频应用时，必须考虑。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜结构：二极管＝PN结＋管壳＋引线NP符号：阳极（正极）阴极（负极）2.3半导体二极管2.3.1二极管的结构模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜二极管常见的几种结构1.点接触型二极管N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜2.面接触型二极管负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座PN结面积大，用于工频大电流整流电路。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜3.平面型二极管SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜常见的半导体二极管模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜1.正向特性实验曲线uEiVmA2.反向特性uEiVuAiu0硅：0.5V锗：0.1V导通压降反向饱和电流开启电压击穿电压UBR锗硅：0.7V锗：0.3V2.3.2二极管的伏安（V－I）特性模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜1.正向特性实验曲线iu0uD硅：0.5V锗：0.1V导通压降开启电压硅：0.7V锗：0.3V•当0＜uD＜Uth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当uD＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：•当uD＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜实验曲线2.反向特性当uD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：•当UBR＜uD＜0时，反向电流(少数载流子的漂移)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uD≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。一般地：IS（硅）IS（锗）硅：0.5V锗：0.1V导通压降开启电压硅：0.7V锗：0.3Viu0uD击穿电压UBR锗反向饱和电流模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜说明：1.二极管与PN结伏安特性的区别二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，正向偏置在电流相同的情况下，二极管端电压大于PN结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二极管电流小于PN结电流；另外，二极管表面存在漏电流，其反相电流增大。2.温度对二极管伏安特性的影响二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极管正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。模拟电子——半导体二极管及其基本电路主讲：刘童娜1.最大整流电流