第02章 半导体二极管及基本电路

一、N 型半导体：
N型
电子为多数载流子
+4 +4 +4
空穴为少数载流子
+4 +5 +4 自由电子
磷原子 施主原子
载流子数 电子数
N型杂质半导体的特点：
1、与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时 并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构 中，不能自由移动，不起导电作用。
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N
特性 符号及等效模型：
iD
uD
S
S
正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。
正偏导通，uD = 0； 反偏截止， iD = 0 R =
二、二极管的恒压降模型
iD U (BR) URM O IF uD
iD UD(on) uD
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
iD 急剧上升
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管 0.2 V iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
U(BR) U 0 U < U(BR)
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。 反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V) 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 雪崩击穿： 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V)
t
例: ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。 1、 0.7 V < ui < 0.7 V
V1、V2 均截止
2
uO = u i
ui / V
2、ui 0.7 V V2 导通 V１截止 uO = 0.7 V 3、ui < 0.7 V
O
t uO/ V
V1 导通 V2 截止 uO = 0.7 V
型半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠
电子导电。
3、在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴 对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。
二、P型半导体：
P型
+4 +4 +4
空穴 — 多子 电子 — 少子
+4
+3 硼原子 受主原子
+4 空穴
载流子数 空穴数
P型半导体的特点：
1、与本征激发不同。受主原子接受电子在价带中产 生一个空穴，但并不在导带中产生电子，而在晶 格中留下一个负离子。负离子不能自由移动，不 起导电作用。 2、在室温下3价受主原子产生的空位全部可被激发 为价带中的空穴，故P型半导体中空穴数很高， 主要靠空穴导电。 3、P型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对， 但由于复合作用，电子数目很小，空穴的浓度远 大于电子浓度。
90C 20C
随着温度的升高， 正向特性曲线左移，即 正向压降减小； 反向特性曲线下移， 即反向电流增大。
uD / V
一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减 小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流大约增 大1倍左右。
2.3.3 二极管的参数
iD IF
U (BR)
URM O
uD
1. IF — 最大整流电流(二极管 长期连续工作时允许通 过的最大正向电流值 ) 2. URM — 最高反向工作电压， 为U(BR) / 2
正极 引线
N 型锗片
负极 引线
铝合金 小球
正极引线 PN 结 N型锗 金锑 合金 底座
外壳
触丝
负极引线
点接触型
正极 负极 引线 引线
面接触型
P N
P 型支持衬底
集成电路中平面型
2.3.2
二极管的伏安特性
玻尔兹曼常数
一、PN 结的伏安方程
i D I S (e
反向饱 和电流
uD / UT
1)
三、杂质半导体的导电作用
I
IN
IP
:空穴 :自由电子
I = IP + IN N 型半导体 I IN P 型半导体 I IP
四、P 型、N 型半导体的简化图示
负离子 P型半导体 多数载流子 N型半导体 少数载流子 正离子
多数载流子 少数载流子
2.2
PN结
一、PN 结(PN Junction)的形成
温度的 电压当量
kT UT q
电子电量
当 T = 300(27C)：
UT = 26 mV
二、二极管的伏安特性
iD /mA
正向特性 U (BR) 反 反向特性 向 击 穿 IS
0 U Uth
iD = 0
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管) U Uth
O
Uth
uD /V
2 半导体二极管及其基本电路
2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性
2.3 半导体二极管
2.4 二极管基本电路分析 2.5 特殊二极管
2.1 半导体的基本知识
自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为： 4 10 cm 金、银、铜） 导体 （ 9 ＞ 10 cm 云母、陶瓷） 绝缘体 （ 半导体 （10-4 < 109 cm 硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs）
例: 二极管构成“门”电路，设 V1、V2 均为理 想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和 高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。
输入电压 UA
0V 0V 5V
理想二极管 V1
正偏 导通 正偏 导通 反偏 截止 正偏 导通
UB
0V
5V 0V 5V
V2
正偏 导通
输出 电压
I /mA
u UT
i IS e
i IS
反 向 击 穿
正向特性
O
u /V
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构和类型 二极管(Diode)
构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 符号： A (anode)
C (cathode)
按材料分
分类：
硅二极管 锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型 平面型
VDD Vth 10V 0.5V ID 0.931 mA R rD 10K 0.2 K
VD Vth 0.7V 0.5V VD 0.5V I D rD 0.5V 0.931 rD mA 0.2K 0.69V 200 iD 1m A
两种载流子：
两种载流子的运动：
电子(自由电子)： 自由电子(在共价键以外)的运动 空穴 空穴(在共价键以内)的运动
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；
2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；
3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
2.1.2
杂质半导体
制造半导体器件的材料并不是本征半导体，而是 人为地掺入一定杂质成份的半导体，目的是提高半 导体的导电能力。 Si本征半导体（T＝300k）：ni=pi=1.5×1010／cm3 N型半导体 P型半导体 （掺入5价元素杂质） （掺入3价元素杂质）
硅(锗)的原子结构
硅(锗)的共价键结构
自 由 电 子 空 穴
简化模型:
价电子
(束缚电子) 惯性核 （正电荷）
空穴
空穴可在共 价键内移动
本征激发： 在室温或光照下，价电子获得足够能量摆 脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键 中留下一个空位(空穴)的过程。
复
合：
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。 漂 扩 移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 散： 由于载流子的浓度差而引起的定向运动。
例: 判别二极管是导通还是截止。
解：
+ +
+
+
+
+
9V
+
12.5V
-
14V
-
18V
+
12.5V
-
14V
-
1V
+
截止
+
2V
-
导通
+
+
2.5V
-
1V
-
2.5V
-
1V
-
例:
试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电 压UO 的值。
P N
解：假设二极管断开 UP = 15 V 3 UN 12 9 (V) 1 3 UP > UN 二极管导通 等效为 0.7 V 的恒压源
－
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
三、PN 结的伏安特性
I I S (e
反向饱 和电流
u /UT
1)
玻尔兹曼常数
温度的 电压当量
当 T = 300(27C)： UT = 26 mV
加正向电压: 加反向电压:
kT UT q
电子电量
二、PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置) IF
P区 N区 外电场 内电场
扩散运动加强形成正向电流 外电场使多子向 PN 结移动, IF 。 中和部分离子使空间电荷区变窄。
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
2. 外加反向电压(反向偏置) IR
P区 N区
内电场 外电场
＋
漂移运动加强形成反向电流 I, 外电场使多子背离 PN 结移动 R 空间电荷区变宽。 IR = I少子 0