第二个教案 2.1 半导体二极管

二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线： 伏安特性曲线： 硅管
UBE(on)= 0.7V IS=(10-9~10-16)A UBE(on)= 0.25V IS=(10-6~10-8)A
PN结导通； PN结导通； 结导通
锗管
U >UBE(on)时
随着U
↑
I
↑↑
正向R很小 正向R
很小( U < UBE(on)时 IR很小(IR≈ 反向R PN结截止 结截止。 反向R很大 PN结截止。 I S) 温度每升高1℃ 1℃， 约减小2.5mV 2.5mV。 温度每升高1℃， UBE(on)约减小2.5mV。 温度每升高10℃ 10℃， 约增加一倍。 温度每升高10℃，IS约增加一倍。
1.1 半导体的特性
半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。 半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅 (Si) 、锗 (Ge) 大多数半导体器件所用的主要材料是硅
原子结构及简化模型： 硅 、锗 原子结构及简化模型：
+4 +14 2 8 4 +32 2 8 18 4
当原子中的价电子在光照或温度升高时获得能量挣脱共价键的束 缚而成为自由电子，原子中留下空位（即空穴），（即产生自由电 同时原子因失去价电子而带正电。 子－空穴对）同时原子因失去价电子而带正电。 当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（ 当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（自由电子与空穴 的复合）形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动 空穴的运动。 的复合）形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。空穴运动方向 与价电子填补方向相反。 与价电子填补方向相反。即自由电子和空穴都能在晶格中自由移动。因 而统称它们为半导体的载流子。
PN结的单向导电性 PN结的单向导电性
PN结呈小电阻特性 理想情况下相当于开关闭合 结呈小电阻特性， 开关闭合。 一、正偏特性 PN结呈小电阻特性，理想情况下相当于开关闭合。
PN 结 正 偏
内建电 场减弱
阻挡层 变薄
多子扩散>> 多子扩散>> 少子漂移
多子扩散 形成较大 形成较大 的正向电 流I PN结导通 PN结导通
+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键具有 很强的结合力。 很强的结合力。 当T=0K（无外界 T=0K（ 影响） 影响）时，共价 键中无自由移动 的电子。 的电子。
共价键
本征激发
本征激发
产生自由电子空穴对 自由电子空穴对。 当T升高或光线照射时 产生自由电子空穴对。 本征激发。 这种现象称 本征激发。
反偏：是反向偏置的简称，反向偏置是指 是反向偏置的简称，
端接电源的“ 极 给PN结的P端接电源的“-”极，N端接电源的“+”极 PN结的P端接电源的“ 极 结的 的一种接法。 PN结的反偏特性就是给PN结加反偏 结的反偏特性就是给PN 的一种接法。而PN结的反偏特性就是给PN结加反偏 电压时所表现出的特性。 电压时所表现出的特性。
简化模型： 简化模型：
N型半 导体
多数）和本征激发产生） （ 多子—自由电子 多子 自由电子 杂质电离（多数）和本征激发产生）
少子—空穴 本征激发产生） （ 少子 空穴 本征激发产生）
本征半导体中掺入少量三价元素构成。 三价元素构成 本征半导体中掺入少量三价元素构成。 P型半导体： 型半导体：
+4 空穴 +4 +3 +4
掺杂
利用掺杂
P 型
E内
N
工艺， 工艺，把P型半 导体和N型半导 导体和N 密结合，P区与N 密结合， 区与N 区的交界面就形 PN结 成了PN 成了PN结。
型 体在原子级上紧
PN结形成的物理过程: PN结形成的物理过程: 结形成的物理过程 因多子浓度差
引起多子扩散 产生空间电荷区 阻止多子扩散 出现内建电场 最终达动态平衡 利于少子漂移
画输出信号波形方法 根据输入信号大小→ 判断二极管的导通与截止→ 找 根据输入信号大小→ 判断二极管的导通与截止→ 关系→ 画输出信号波形。 出UO与Ui关系→ 画输出信号波形。 理想二极管(忽略 忽略U 理想二极管 忽略 BE(on))：若U>0，则管子导通；反之截止。 ： ，则管子导通；反之截止。 实际二极管： 管子导通；反之截止。 实际二极管：若U>UBE(on)，管子导通；反之截止。 例1：电路如图 ：电路如图1-14（a）、（b）所示，已知ui =6sinωt(V)， （ ）、 ）所示， ω ， 图中的二极管D 二极管是理想的， 图中的二极管 1和D2为二极管是理想的，试画出ui 和u0的波 形。
ui /V 3 0 -3
ωt
ui /V 3 0 -3
ωt
ui /V 0 -3
ωt
ui /V 3 0 -3
ωt
1.2.3 稳压管
|U反|↑=U(BR)时， → IR急剧↑↑↑ ， PN结反向击穿 → PN结反向击穿 。
UZ
+ -
ID(mA) U(V)
UZ
IZmin IZmax
利用PN结的反向击穿特性， 制成稳压二极管 稳压二极管。 利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。 PN结的反向击穿特性 反向击穿时，PN结上电流过大 结上电流过大， 当反向击穿时，PN结上电流过大，若时间过长 而产生过热就会产生热击穿而烧坏管子。 热击穿而烧坏管子 而产生过热就会产生热击穿而烧坏管子。为避免 此情况，因此要求 要求： 此情况，因此要求：Izmin< Iz < Izmax
注意： PN结处于动态平衡时 结处于动态平衡时， 注意： PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流 相抵消，即通过PN结的电流为零。 PN结的电流为零 相抵消，即通过PN结的电流为零。
室温时
锗管 UD ≈ 0.2 ~ 0.3V 硅管 UD ≈ 0.6 ~ 0.8V
PN结的单向导电性 PN结的单向导电性
温度一定时： 温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡 动态平衡。 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。 T 或光照载 流Fra bibliotek子导电能力
热敏特性 光敏特性
半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有 一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入 微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加 杂质后的半导体称为杂质半导体。根据加入杂质元素 的不同可分为N型半导体 P型半导体 实际上制造晶体 N型半导体和P型半导体。
半导体中有两种导电的载流子
自由电子 — 带负电 空穴 — 带正电
注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征 的出现是半导体区别于导体的重要特征。 注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。
本征半导体中
本征激发——产生自由电子空穴对。 产生自由电子空穴对 本征激发 产生自由电子空穴对。 复合。 电子和空穴相遇释放能量——复合。 复合 电子和空穴相遇释放能量
正偏时： I ≈ I S e 正偏时： 反偏时： 反偏时： I ≈ − I S
U UT
≈ I S (e
U UT
− 1)
说明二极管是 非线性器件
其中： 热电压 其中：
kT UT = 26mV（室温） ≈ 26mV（室温） q
IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。 为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。
I E外 电压V
↑
电流I
↑↑
PN结呈大电阻特性 理想情况下相当于开关断开 结呈大电阻特性， 开关断开。 二、反偏特性 PN结呈大电阻特性，理想情况下相当于开关断开。 PN 少子漂移形 少子漂移形 漂移 阻挡层 内建电 结 少子漂移>> 少子漂移>> 微小的反 成微小的反 变宽 场增强 反 多子扩散 向电流I 向电流 S 偏
PN结截止 PN结截止 IS
E外
IS与V 近似无关。 近似无关。
温度T
↑
电流IS↑↑
1.2.2 二极管
一、晶体二极管结构及电路符号： 晶体二极管结构及电路符号：
正极 P N 负极
二、晶体二极管的基本特性（与PN结类似）：单向导电特性 PN结类似） 结类似 二极管的伏安特性关系式 二极管的伏安特性关系式： I 伏安特性关系式：
价电子
1.1.1 本征半导体
纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体 本征半导体（ 纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体（比如硅 和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。 和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。 ）。它们是制造半导体器件的基本材料 硅和锗共价键结构示意图： 硅和锗共价键结构示意图：
正偏：是正向偏置的简称，正向偏置是指 是正向偏置的简称，
给PN结的P端接电源的“+”极，N端接电源的“-”极 端接电源的“ 极 PN结的P端接电源的“ 极 结的 的一种接法。 PN结的正偏特性就是给PN结加正偏 结的正偏特性就是给PN 的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏 电压时所表现出的特性。 电压时所表现出的特性。
常温情况下，杂质元素全 常温情况下，杂质元素全 电离为空穴和负离子， 部电离为空穴和负离子，负离子 在晶格中不能移动，不参与导电。 在晶格中不能移动，不参与导电。
简化模型： 简化模型：
+4
多子——空穴 空穴 多子 少子——自由电子（本征激发产生） 自由电子 本征激发产生） 少子 多子浓度取决于掺杂浓度。 多子浓度取决于掺杂浓度。 杂质半导体呈电中性 少子浓度取决于温度。 少子浓度取决于温度。 P型半导体
1.2
半导体二极管
晶体二极管、三极管的基本结构 PN结 他们的特性与PN结有关。 晶体二极管、三极管的基本结构为PN结，他们的特性与PN结有关。 基本结构为 PN结有关