3 二极管及其基本电路

3.3 半导体二极管
3.3.1 半导体二极管的结构
3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数
3.3.1 半导体二极管的结构
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、面接触型两大 类。 (1) 点接触型二极管
PN结面积小，结 电容小，用于检波和 变频等高频电路。
热击穿——不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
3.2.5 PN结的电容效应
(1) 扩散电容CD
扩散电容示意图
3.2.5 PN结的电容效应
(2) 势垒电容CB
end
小节：
• 半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有 两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发 使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很 少，并与温度有密切关系。 在纯半导体中掺入 不同的有用杂质，可分别形成P型和N型两种杂 质半导体。它们是各种半导体器件的基本材 料。 • PN结是各种半导体器件的基本结构，如二极管 由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特 性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要 的意义。PN结的重要特性是单向导电性。
1)
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
3.3.3 二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF
(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) 极间电容CJ（CB、 CD ）
end
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
－
E
＋
自由电子 本征半导体中 产生电流的根 本原因：共价 键中空穴的出 现。
+4
+4 空穴
+4
+4
空穴越多，载 流子数目就越 自由电子——带负电荷，形成电子流 多，形成的电 两种载流子 流就越大。 空穴——视为带正电荷，形成空穴流
－
E
＋
自由电子
+4
+4 空穴
+4Biblioteka +4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。
－ － － － － －
空穴
+
+
+ + +
+ + +
+ +
+ +
－ － － － － －
自由电子
P型半导体
N型半导体
注意：半导体中的正负电荷数是相等的，其作 用相互抵消，因此对外保持电中性。
3.1.4 杂质半导体
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:
iD I S (evD /VT 1)
其中
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
且在常温下（T=300K）
PN结的伏安特性
kT VT 0.026V 26 mV q
3.2.4 PN结的反向击穿
当PN结的反向电压 增加到一定数值时，反 向电流突然快速增加， 此现象称为PN结的反向 击穿。
并填补空穴，从而使两者
同时消失的现象。
+4
+4
+4
+4
在一定温度下，本征激发
与复合这二者产生的电子 －空穴对数目相等，达到 一种动态平衡。 电子空穴对
注意：
+4
在本征半导体中，自由 电子和空穴总是成对出 +4 +4
+4
现，故在任何时候，本
征半导体中的自由电子
和空穴数总是相等的。
电子空穴对
本征半导体的导电机制
如：橡胶、陶瓷、塑 料和石英等等 如：金属 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
3.1.2 半导体的共价键结构
半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 硅原子和锗原子的结构
Si
Ge
为方便起见，常表示如下：
+4
硅和锗最外层轨道上的四个电子 称为价电子。
3.1.2 半导体的共价键结构
硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构
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。
3.2.3 PN结的单向导电性
当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成； 自由电子是少数载流子， 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 在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如 硼、镓等。 P型半导体的结构图 空穴 +4 多数载流子（多 子）—空穴； 空穴的来源： 少数载流子（少 子）－自由电子。 （1）本征激发产生 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的）
• 自由电子、空穴
• 多数载流子、少数载流子
end
3.2 PN结的形成及特性
3.2.1 载流子的漂移与扩散
3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应
3.2.1 载流子的漂移与扩散
漂移运动：
在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体
• 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
3.2.3 PN结的单向导电性
当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时
• 高电阻 • 很小的反向漂移电流
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，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。
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
二极管是一种非线性器件，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3.4.1 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 。
如磷，砷等。
N型半导体的结构图 多数载流子（多 子）—自由电子； +4 施主原子 +5 +4 +4 多余的电子
少数载流子（少 子）—空穴。 空穴的来源： 只有本征激发产生 （少量的）
3.1.4 杂质半导体
2. P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。
3.1 半导体的基本知识
3.2 PN结的形成及特性
3.3 半导体二极管
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.5 特殊二极管
3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体材料
3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体
3.1.4 杂质半导体
3.1.1 半导体材料
在自然界中，根据物质导电能力的差别，可 将它们划分为导体、绝缘体和半导体。
定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。
T=0K时本征半导体结构图：
在绝对温度T=0K时，所
制造半导体器件的半导体材料的 有的价电子都被共价键 +4 +4 纯度要达到99.9999999%，常称为 紧紧束缚其中，不能成 “九个9”。它在物理结构上呈单晶 体形态。 为自由电子，此时本征
+4 +4 半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
+4
+3
+4
P型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如 硼、镓等。 P型半导体的结构图 空穴 +4 多数载流子（多 子）—空穴； 少数载流子（少 子）－自由电子。 自由电子的来源： 只有本征激发产生 （少量的）
+4 受主原子 +3
+4
杂质半导体的示意表示方法
负离子
－ － － － － － － － － － － － + + + + 正离子 + + + + + + + +
N型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，
如磷，砷等。 N型半导体的结构图
多数载流子（多 子）—自由电子； +4 +4 多余的电子 自由电子的来源： 少数载流子（少 （1）本征激发产生 子）—空穴。 （少量的） （2）掺入杂质元素 后多余出来的（大量 的）
+5
+4
N型半导体 在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半
导体称为杂质半导体。
空穴（P）型半导体 因掺入杂质性质 【Positive】
不同，可分为：
电子（N）型半导体
【Negative】