电路与模拟电子技术基础(第2版)[查丽斌]第五章 半导体二极管及直流稳压电源

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2.PN 结的单向导电性
必要吗？ PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由 于外电源的作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利 于漂移运动，形成漂移电流。由于电 流很小，故可近似认为其截止。
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2.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 低电阻 大的正向扩散电流 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流
击穿 电压
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二极管的反向击穿
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。
雪崩击穿
齐纳击穿
电击穿——可逆
热击穿——不可逆 PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功 耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时 PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。
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5.1.1 本征半导体
1. 本征半导体——纯净的晶体结构的半导体。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”。电子技术中用的最多的是硅和锗。
无杂质 稳定的结构
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个称为价 电子。 其简化原子结构模型如下图：
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2.本征半导体的共价键结构
1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等
2. 绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等 3. 半导体： • 半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定 条件下可导电。 • 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： • • 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元 件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二 极管、三极管属于此类。
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动 扩散的结果使 空间电荷区变宽。
14.2.2 PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置）
P接正、N接负
动画
PN 结变窄
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电 子浓度降低，产生内电场。
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1.PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从 而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用 所产生的运动 称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 就形成了PN结。 促使少子漂移 因浓度差 多子扩散 形成空间电荷区 阻止多子扩散
CT
：半导体材料的介电比系数；
S ：结面积； l ：耗尽层宽度。 由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 U 而变化，因此势垒电容 CT不是一 个常数。 结电容
S l
Cj CT CD
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5.2 半导体二极管
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
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2. 二极管的伏安特性
锗二极管2AP15的伏安特性
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2. 二极管的伏安特性
当uD＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：
当0＜uD ＜Uth时，正向电流为零， Uth称为死区电压或开启电压。 当uD ＞Uth时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压Uth=0.5 V 左右， 锗二极管的死区电压Uth=0.1 V左 右。
+ + + + + + + + +
P
内电场 外电场
N
–
+
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2. PN 结加反向电压（反向偏置）
P接负、N接正
+ + + + + + + + +
动画
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
–
+
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
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2. 二极管的伏安特性
正向特性为 指数曲线
i IS (e
u UT
1) i I Se
u UT
若正向电压 u>>UT,则
若反向电压|u|>>UT，则i≈−IS 反向特性为横轴的平行线 伏安特性受温度影响 T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移 增大1倍/10℃
发光 二极管
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1. 半导体二极管的结构
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。
金属触丝 阳极引线 阴极引线
外壳
N型锗片
二极管的结构示意图
(a)点接触型
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1. 半导体二极管的结构
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
本征晶体中各原 子之间靠得很近，使原 分属于各原子的四个价 电子同时受到相邻原子 的吸引，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。 如图所示：
+4 +4 +4
两个电子 的共价键
+4
+4
+4
正离子芯
+4 +4 +4
4
IF
+
–
内电场 外电场
N
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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2. PN 结加反向电压（反向偏置）
P接负、N接正
+ + + + + + + + +
动画
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
3.本征半导体中的两种载流子
+4 +4 +4
由于热运动，具有足够能量的价电子 挣脱共价键的束缚而成为自由电子 这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
+4
自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失， 称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度 一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价 键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度 加大。
多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺 入杂质越多，空穴浓度越高，导电 性越强，
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在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？ 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。
硼（B）
受主杂质
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2. P型半导体
P型半导体的结构示意图如图所示： 受主负离子 空穴
+4
+4
+4
由于随机热振动致使共价键 被打破而产生空穴－电子对 动态平衡
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空穴的移动
由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻 近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个 电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转 移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁 移—电流。 电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方 向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于 共价键中出现了空穴。
(b)面接触型
（a）面接触型
（b）集成电路中的平面型
（c）代表符号
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2. 二极管的伏安特性
iD/mA 1.0
i IS e
其中

u UT
1

－0.5
0.5
IS ——反向饱和电流 UT ——温度的电压当量 且在常温下（T=300K）
0
0.5
1.0
uD/V
iD=－Is(μA)
二极管的伏安特性
kT UT 0.026V=26mV q
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空穴的移动
+4
+4
+4
自由电子
空穴的运动实质上是价电 子填补空穴而形成的。
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
+4
空穴的运动
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5.1.2 杂质半导体
1. N型半导体 多数载流子
+4
+4
+4
空穴比未加杂质时的数目多了？少 了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载流子导 电。掺入杂质越多，多子浓度越高， 导电性越强，实现导电性可控。 磷（P） 施主杂质
正向电压时，载流子积累电荷量发 生变化，相当于电容器充电和放电 的过程 —— 扩散电容效应。
当加反向电压时，扩散运动被削 弱，扩散电容的作用可忽略。 扩散电容示意图