第二章半导体二极管及其基本电路

3、 平面型二极管
往往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。
二、伏安特性
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
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。
第一节 半导体的基本知识
一、 导体、半导体和绝缘体
导体： 自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是 导体。
绝缘体： 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、 塑料和石英。
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。
发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压VBR。
击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。
齐纳击穿：
高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破 坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对， 致使电流急剧增加。
雪崩击穿：
如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向 电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共 价键中撞出形成电子－空穴对（碰撞电离），形成雪崩 式的连锁反应。
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － － － 空－ 穴－ － －
N 型半导体
P 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于 数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂 质浓度相等。
第二节 PN结的形成及特性
一、 PN结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形 成了PN 结。
2、本征半导体的导电机理
（1）载流子、自由电子和空穴
在热力学温度绝对0度（T=0K）和没有外界激发时, 价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运 动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当 于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的 随机热振动能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同 时共价键上留下一个空位，称为空穴。
半导体二极 管的伏安特 性曲线如图 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。
I
门坎电压Vth死区 电压 硅管0.5V,锗 管0.1V。
反向击穿 电压VBR
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
V
1、正向特性
当V＞0即处于正向 特性区域。正向区又分 为两段：
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷P区型变半薄导。体
漂移运动 内电场E N型半导体
－－－－ － －
留下了带负电－的－杂质－离－ － － 子（硼离子）－ － － － － －
－－－－ － －
+ +++++ + + + 留+下+了带+正电的杂质离
子（磷离子） + +++++
+ +++++
利用这种特征做成二极管、三极管、场效应管等。
二、 本征半导体
本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的 半导体晶体。
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。 电子技术中用的最多的是硅和锗。
1、本征半导体的结构特点（共价键结构）
硅和锗都是四价元素，最外层原子轨道上有四个电 子。外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子，物 质的化学性质是由价电子决定的。
（ 称 为 正 向 电 流 IF ） ； PN 结
加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流
（称为反向饱和电流IS） 。
由此可以得出结论：PN结具 有单向导电性。
根据理论分析，PN结两端的电压V与流过PN结的电流I 之间的关系为：
vD iD IS eVT 1
其中：iD 为PN结的电流；
空穴
半导体原子形成共价键时，产
+4
+4
生一个空穴。这个空穴可能吸
引束缚电子来填补，使得硼原
子成为不能移动的带负电的离
+3
+4
子。由于硼原子接受电子，所
以称为受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
3、杂质半ห้องสมุดไป่ตู้体的示意表示法
带正电的磷离子
带负电的硼离子
+ +++++ + +++++ + +++++ 自+由电+ 子+ + + +
当V≥VBR时，反向电 流急剧增加， 称为二极 管的反向击穿 。
三、二极管的主要参数
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽， 空间电荷区越宽
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
扩散运动 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态的平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定 不变。
击穿并不意味着PN结烧坏
第三节 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。二极
管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。
二极管的电路符号：
a
k
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。
2、 面接触型二极管
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能 力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素， 这是半导体的一大特点。
三、 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质（三价或五价 元素），就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原 因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为 （电子半导体）。
第二章 半导体二极管及其基本电路
第一节 半导体的基本知识 第二节 PN结的形成及特性 第三节 半导体二极管 第四节 特殊二极管 第五节 半导体三极管
教学目的和要求： 1.理解半导体基础知识。 2.掌握PN结的形成及特性。 3.掌握半导体二极管的知识和电路分析方法。
教学重点与难点： 重点：PN结的形成及特性，二极管基本电路及其分析方法。 难点：PN结的形成、二极管的小信号分析法。
半导体的特点：
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不 同于其它物质的特点。例如：
（1）当受外界热和光的刺激时，它的导电能力发生显著变化。 热敏电阻：钴、锰、镍等氧化物 光敏电阻：镉、铅等硫化物或硒化物
（2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力 明显增强。例：硅中掺入1%硼，硅电阻率从2000欧减小到 0.004欧。
演示
+4 +4
N 型半导体中的 载流子是什么？
磷原子
+5 +4
多余 电子
本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，
自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
2、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子 的最外层有三个价电子，与相邻的
即二极管的电流iD随vD按指数规律变化。
（2）当PN结反偏时， vD为负值。如果-vD > VT 几倍 以上，指数项趋今于零。
iD IS
三、 PN结的反向击穿
二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过 PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧 增加，这种现象我们就称为反向击穿。
电位V
PN结以 外的区 域要保 持电中 性，所 以是等 电位的
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
V0（接触 电位差） + +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型区
空间 电荷 区
N型区 动态演示
PN结的形成
注意:
1、空间电荷区（又称耗尽层或势垒区）中没有载流 子。
Ge
Si
动态演示
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
Si晶体结构
硅和锗的晶 体结构：
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每 个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体 的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一 对价电子。
演示
硅和锗的共价键结构
+4表示除 去价电子 后的原子
2、 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的 电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。
3、 P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量 有限，因此由它们形成的电流很小。
二、 PN结的单向导电性
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。
IS 为PN结的反向饱和电流；典型值10-8--10-14A； vD 为PN结的两端的外加电压； VT 称为温度的电压当量，在温度为300K(27°C) 时， VT 约为26mV；
（1）当PN结正偏时，如果vD > VT 几倍以上，上式可 改写为 ：
vD
vD
iD ISeVT ISe0.026
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加 正、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加 负、N 区加正电压。
1、PN 结正向偏置
变薄
－+
+
空 穴
P
－+ －+
－+
内电场被削弱，多子的 扩散加强能够形成较大 的扩散电流。 演示
_ N
电子
外电场
R
内电场
E
PN结加正向电压
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空 穴半导体）。
1、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最 外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成 共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能 移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为 施主原子。
当0＜V＜Vth时，正 向电流为零，Vth称为死 区电压或开启电压。
当V＞Vth时，开始 出现正向电流，并按指 数规律增长。
2、反向特性
当V＜0时，即处于 反向特性区域。反向区也 分两个区域：
当VBR＜V＜0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 。
动态模型
电流形成
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 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。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
2、PN 结反向偏置
变厚
－+
_
P
－
空穴 －
+ +
电子
N
－+
内电场
外电场
R
E
内电场被加强， 多子的扩散受 抑制。少子漂
移加强，但+少
子数量有限， 只能形成较小 的反向电流。
演示
PN结加反向电压
3、PN 结的伏安特性（V-I）
PN结加正向电压（正向 偏置电压）时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流
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。
PN结的电击穿是可逆击穿，及时把偏压调低，PN结 即恢复原来特性。电击穿特点可加以利用（如稳压管）。 热击穿就是烧毁，是不可逆击穿。使用时尽量避免。
这种现象称为本征激发，也称热激发。
示意图
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4
束缚电子
空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点
（2）本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由 电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下，空穴 吸引附近的电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移，而 空穴的迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴的移动 产生了电流，与自由电子运动 方向相反。
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳 定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚 电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此 本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力 很弱。