二极管及其基本电路

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，导电能力很弱。在绝对0度（T=0K） 和没有外界激发时,它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
二、本征半导体
2、本征半导体的导电机理 （1）载流子、自由电子和空穴 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够 的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。 空穴，一种带正电 荷的粒子。 自由电子
三、PN结的反向击穿
• 热击穿：如果反向电流和反向 电压的乘积超过了PN结容许的耗 散功率，则PN结会因为热量散不 出去而造成温度上升，直到过热 而烧毁，这种现象就是热击穿。
热击穿——不可逆
雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿——可逆
四、PN结的电容效应
(1) 扩散电容CD
扩散电容示意图
四、PN结的电容效应
§3.3
二极管
2.二极管的V-I特性
• （2）反向特性 • P型半导体中的少数载流子——电子，和N型半导体的少 数载流子——空穴，在反向电压的作用下很容易通过PN 结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子的数目很少， 所以反向电流是很小的。 • 一般硅管的反向电流比锗管的小得多。 • 温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反 向电流将随之明显增加。 反向电压大到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而 增加。这时的电流──反向饱和电流（IS）。它主要与环境 温度有关（T↑→IS↑）。
二、PN结的单向导电性
3、小结 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的 正向扩散电流； PNห้องสมุดไป่ตู้加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的 反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
二、PN结的单向导电性
4.PN 结伏安特性
iD(mA) T2>T1 T2
T1
V(v)
二、PN结的单向导电性
扩散电流
漂移电流
一、PN 结的形成
2、说明 （1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载 流子，其厚度约为0.5μｍ。 （2）内电场的大小： 对硅半导体：VD≈0.6～0.8V， 对锗半导体：VD≈0.2～0.4V （3）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的。当两边的掺 杂浓度不等时，PN结不对称。 （4）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。
三、杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，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）。 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）。
三、杂质半导体
1、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少 量的五价元素的原子（磷或 锑）（施主原子），取代晶 体点阵中的某些半导体原子， 每个施主原子提供一个自由 电子。 N 型半导体中的载流子包括 多余 电子
iD IS (e
vD /VT
1)
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
§3.3
二极管
• 2.二极管的V-I特性
• （1）正向特性 此时加于二极管的正向电压不大，流过管子的电流相对来 说却很大，因此管子呈现的正向电阻很小。 门坎电压Vth（在正向电压的起始部分，由于正向电压较小， 外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电 压几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎） 硅管的Vth 约为0.5V，锗管的Vth 约为0.1V 当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增 长，二极管正向导通。硅管的正向导通压降约为0.7V，锗 管约为0.2V 正向偏置电压需要达到一定的数值电流才开始显著上升， 这个电压称为门限电压或接通电压，硅管的Vth 约为0.5V， 锗管的Vth 约为0.1V。
按材料分：硅二极管，锗二极管。
按结构分：点接触型，面结合型，平面型。
阳极 阴极 引线 引线
P N P 型支持衬底
平面型：用于集成电路制造艺中。PN 结面积 可大可小，用于高频整流和开关电路中。
§3.3
二极管
1、基本结构
（3）半导体二极管图片
§3.3
二极管
2.二极管的V-I特性
二极管的伏安特性曲线可用下式表示
（4） P型半导体的模型
－ － － － － －
三、杂质半导体
3、说明 （1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。 （2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、 光照十分敏感。 （3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征 半导体中载流子浓度小得多。
§3.2 PN结的形成及特性
漂移电流与扩散电流
Si
Ge
+4
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，每个原子与其相邻的原子之 间形成共价键，共用一对价电子。
二、本征半导体
1、本征半导体的结构特点 （2）硅、锗原子的共价键结构
共价键共用电子对
+4
+4
+4
+4
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。使原子规则排 列，形成晶体。
1、漂移电流
载流子在电场作用下有规则的运动-------漂移运动
形成的电流-------漂移电流 2、 扩散电流 载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方 扩散所形成的电流。
§3.2 PN结的形成及特性
一、PN 结的形成
1、PN结的形成－在同一半导体基片上，形成P 和N 型半导体 空间电荷区 － － － － － － + + + + + + 漂移运动 － － － － － － + + + + + + E 扩散运动 + + + + + － － － － － － + 载流子浓度差 扩散 内电场E 阻碍 动态平衡 漂移
（1）二极管的电路符号： （2）分类 按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，……。
按材料分：硅二极管，锗二极管。
按结构分：点接触型，面结合型，平面型。
面接触型：PN结面积大， 用于工频大电流整流。
§3.3
二极管
P N
1、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
（1）二极管的电路符号： （2）分类 按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，……。
+4
+5
+4 +4
施主原子
（1）由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 （2）本征半导体中成对产生的电子和空穴。
自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子 （多子），空穴称为少数载流子（少子）。
三、杂质半导体
1、N 型半导体 N型半导体的模型
+4
+5
+4 +4
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
4.PN 结伏安特性
iD IS (e
vD /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
三、PN结的反向击穿
• 如果加到PN结两端的反向电压增加到一定数值时，反向 电流突然增加，这个现象就称为PN结的反向击穿（电击 穿）。 • 1.雪崩击穿 • 随着反向电压的增大，阻挡层内部的电场增强，阻挡层中 载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大。当反向电压 增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价 键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对。新产生 的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产 生新的自由电子－空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中载 流子的数量急剧增多，因而流过PN结的反向电流也就急 剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样，所以将这种碰撞 电离称为雪崩击穿(Avalanche Multiplication )
②本征半导体在外电场的作用下，形成两种电流------空穴电 流和电子电流，外电路的总电流等于两种电流的代数和。
③电子--空穴对的数目对温度、光照十分敏感。 ④本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 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。
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： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能
力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
它的导电能力明显改变。
二、本征半导体
1、本征半导体的结构特点——完全纯净的、结构完整的半导 体晶体。 （1）硅(Si) 、锗(Ge)原子的结构
(2) 势垒电容CB
§3.3
二极管
P N
1、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
（1）二极管的电路符号： （2）分类 按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，……。
按材料分：硅二极管，锗二极管。
按结构分：点接触型，面结合型，平面型。
§3.3
二极管
P N
1、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
三、PN结的反向击穿
• 2.齐纳击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。在这种 阻挡层内，载流子与中性原子相碰撞的机会极小，因而不容易发 生碰撞电离。但是，在这种阻挡层内，加上不大的反向电压，就 能建立很强的电场(例如加上1V反向电压时，阻挡层内的场强可达 2.5X105V／cm)，足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价 键中拉出来，产生自由电子-空穴对，这个过程称为场致激发。场 致激发能够产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反 向击穿现象。这种击穿称为齐纳击穿(Zener Break down) 一般而言，击穿电压在6V以下的属于齐纳击穿，6V以上的 主要是雪崩击穿