第一章.半導(dǎo)體二極管

第一章

半導(dǎo)體二極管1.1半導(dǎo)體的基本知識

在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負(fù)電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制二.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)+N型硅表示P型硅表示小結(jié)：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成

少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF(forwardcurrent)正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IR(reversecurrent)PN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆

1.2

半導(dǎo)體二極管在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型圖1.2.1二極管的幾種外形半導(dǎo)體二極管

二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

1.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性開啟電壓：0.5V導(dǎo)通電壓：0.7一、伏安特性鍺二極管2AP15的伏安特性UonU(BR)開啟電壓：0.1V導(dǎo)通電壓：0.3V(參考值）二、溫度對二極管伏安特性的影響在環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。二極管的特性對溫度很敏感，具有負(fù)溫度系數(shù)。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片二.二極管的模型及近似分析計(jì)算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性二極管的近似分析計(jì)算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(硅二極管)

理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuOuiuott二極管半波整流電路如圖所示，已知ui＝5sinωt(V)，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。試畫出ui與uO的波形，并標(biāo)出幅值。

二極管基本應(yīng)用Va、Vb有一個(gè)是低電平（0V）：VO為低電平Va、Vb為高電平（5V）：VO為高電平所以F=A?B開關(guān)電路：Va(A)Vb(B)VO(F)D1D25V三.二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓四、穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動(dòng)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(yīng)的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——

保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——

超過Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過大而燒壞。例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）

iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用例2：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用解：ui和uo的波形如圖所示

（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ[例題]兩個(gè)穩(wěn)壓管,穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V,正向壓降都是0.5V,如果得到0.5V,3V,6V,9V和14V應(yīng)如何連接?解:本章討論的問題：2.空穴是一種載流子嗎？空穴導(dǎo)電時(shí)電子運(yùn)動(dòng)嗎？3.什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？當(dāng)二種半導(dǎo)體制作在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？4.PN結(jié)上