模电课件第2章 半导体二极管及其基本电路1

小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，
即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示 二极管的伏安特性曲线上看出。
图 示
图2.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响
2.3.5 半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
半导体二极管图片
是高阻性，电流小。
如果外加电压使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；
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，
简称反偏。
(1) PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图2.7所示。 外加的正向电压有 一部分降落在PN结区， 方向与PN结内电场方向 相反，削弱了内电场。 于是,内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略 图2.7 PN结加正向电压 漂移电流的影响，PN结 时的导电情况 （动画2-4） 呈现低阻性。
当V＞0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：
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。 硅二极管的死区电压 Vth=0.5 V左右 锗二极管的死区电压 Vth=0.2 V左右。
(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 。
反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。 显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF
2.3.4 半导体二极管的温度特性
温度对二极管的性能有较大的影响，温度升 高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管 温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二 极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的正向压降将减
和最大反向工作电压VRM
(3) 反向电流IR 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大 反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向 电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 (4) 正向压降VF
在规定的正向电流下，二极管的正向电压 降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水 平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。 (5) 动态电阻rd
2.1.1 本征半导体及其导电性
(1)本征半导体的共价键结构 (2)电子空穴对
(3)空穴的移动
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 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”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
(1)本征半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的 四个电子称为价电子。它们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。 这种结构的立体和平面示意图见图2.1。
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
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。 (b)面接触型 图 2.11 二极管的结构示意图
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 2.11 二极管的结构示意图
2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线
半导体二极管的伏安特性曲线如图2.12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。根据理论推导，二极管 的伏安特性曲线可用下式表示
（2）电子空穴对
当导体处于热力学温度0K时，导体中没 有自由电子。当温度升高或受到光的照射 时，价电子能量增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由 电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价 键中就出现了一个空位，称为空穴。原子的 电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与 电子的负电量相等。
2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 二极管基本电路及其分析方法 2.4 特殊二极管
本章基本教学要求
熟练掌握二极管的外特性及主 要参数 掌握二极管的大信号和小信号 电路模型
正确理解PN结的单向导电性
一般了解半导体的导电机理性
本章重点内容
半导体二极管的单向导电特性、 伏安特性以及主要参数。 硅稳压二极管的伏安特性、稳 压原理及主要电参数。 二极管的应用和二极管电路的 分析方法
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。 PN 结形成 图2.6 PN结的形成过程 的过程可参阅 （动画2-3） 图2.6。
2.2.2 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
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:
1
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 n=5×1016/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: 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 。
图2.3 空穴在晶格中的移动
（动画2-2）
2.1.2 杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为 杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。 掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂 质的本征半导体称为杂质半导体。
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷 ，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围 四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余 的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由 电子。 图2.4 N型半导体结构示意图
当V≥VBR时， 反向电流急剧增加 ，VBR称为反向击 穿电压 。
在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所 不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡， 反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性 比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。
从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击 穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得 零温度系数点。
2.2 PN结
2.2.1 PN结的形成
2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的电容效应
2.2.1 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
图2.2 本征激发和复合的过程（动画2-1）
因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也 可能回到空穴中去，称为复合，如图2.2所示。
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
(3) 空穴的移动
自由电子的定 向运动形成电子电 流。相邻共价键中 的价电子依次充填 空穴可视为形成了 空穴电流，它们的 大小相等方向相反 。见图2.3的动画 演示。
图2.5 P型半导体的结构示意图
P型半导体中: 空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 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型半导体的结构示意图 如图2.5所示。
图2.5 P型半导体的结构示意图
2.1.3 杂质对半导体导电性的影响
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导 体的结构示意图如图2.4所示。
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓 、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 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。
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的 。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄 层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储 的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电 容的示意图见图2.9。
图 2.9 势垒电容示意图
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结 的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图
如图2.10所示。
当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
图 2.10 扩散电容示意图
2.3 半导体二极管
2.3.1 半 导 体 二 极 管 的 结 构 类 型 2.3.2 半 导 体 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 2.3.3 半 导 体 二 极 管 的 参 数 2.3.4 半 导 体 二 极 管 的 温 度 特 性 2.3.5 半 导 体 二 极 管 的 型 号
导电情况
PN结加正向电压
时，呈现低电阻，具
有较大的正向扩散电
流；PN结加反向电压
时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电
图 2.8 PN结加反向电压时 的导电情况
（动画2-5）
流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导