模电介绍二极管

∵多子数目很大 ∴IF 很大 当E↑，多子扩散加剧→IF↑
• 低电阻， PN结导通
PN结加正向电压
• 大的正向扩散电流(P->N)
P区
空间电荷区变窄
N区
I
内电场方向
扩散运动增强，形 成较大的正向电流
外电场方向
E
R
(2) PN 结加反向电压(反偏)
外加的反向电压E有一部分降落在PN结区，方向与PN结
三、杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的某种元素作为 杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺 入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
P型(空穴)半导体——掺入三价杂质元素(如硼)
N型(电子)半导体——掺入五价杂质元素(如磷)
1. P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。
4.补充几个概念
I
(1) 二极管的箝位作用
I
D导通后 VD Vth
V
V
Vth
理想D：Vth 0 即D导通相当于短路
D加反压，I很小且趋向于IS →D 截止；理想D时，IS →0 →相当于开路或开关断开。即D具有开关作用。
(2) 如何判断D导通或截止
将D断开，测量V阳—V阴 ?> Vth
是:D导通 否:D截止
Si管正向导通压降约为0.7V; Ge管正向导通压降约为0.2V。
(2)反向特性
当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且随|V | ↑→ 趋向于饱和IS
Si二极管的反向饱和电流IS < 1μΑ ， Ge二极管的反向饱和电流IS为几个μΑ ~ 十几个μΑ
(3)反向击穿特性
当V ≤VBR时，反向电流急剧 增加，VBR称为反向击穿电压。
方向从N

P
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 ε0


促使少子漂移 阻止多子扩散
多子的扩散 = 少子的漂移 即达到动态平衡
稳定的空间电荷区称为PN结
∵正负离子不移动而载流子复合形成无载流子的空间 电荷区，所以内电场也称耗尽层、势垒层。
2. PN 结的单向导电性
?
5.二极管应用举例
(1)整流(半波、全波) → 利用D的单向导电性
+
Vi
-
D
+
R VO
-
V
t
半波导通
(3)低压稳压
Vi
R
Vo
D
+
-VD=Vth
(2)限幅(削波)
R
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+
+V
D
Vo
Vi
3V
-
-
单向削波
(4)开关作用
D导通:开关闭和 D截止:开关断开
t
三、特殊二极管
1. 光电二极管
其PN结通过管壳上的玻璃窗口接受光照。在反偏状态下运行， 反向电流随光照强度的增加而上升，与照度成正比。 可用来进行光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。
二、本征半导体、空穴及其导电作用
本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半导体。 物理结构上呈单晶体形态。 1. 结构：以Si,Ge为例
Si
Ge
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
2. 共价键
共价键结构平面示意图
称为所每子之为自以个位间在共束由本原于形硅价缚 电 征子 四 成和键电 子 半都 面 共锗中子 ， 导处 体 价晶的， 因 体在 的 键体两常此的正顶，中个温本导四点共，电下征电面，用原子束半能体每一子被缚导力的个对按紧电体很中原价四紧子中弱心子电角束很的。，与子形缚难自而其。组在脱 由四 相成共离 电个 临晶价共 子其 的体键价 很它 原点中键 少原 子阵，成 ，，
P区
空间电荷区
N区
多子扩散 内电场方向 少子漂移
图1.1.5 PN 结的形成 (a)P区与N区中载流子的扩散运动
在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。
P区
空间电荷区
N区
内电场方向
图1.1.5 PN 结的形成 (b)平衡状态下的PN结
PN结形成物理过程
因浓度差
当在平衡PN结外加电压时，如果正端接P区，负端接N区，称 为加正向（偏置）电压，简称正偏；反之称为加反向（偏置） 电压，简称反偏。
(1) PN结加正向电压(正偏)
外加的正向电压E 有一部分降落在PN结区，方向与内电
场ε 0 相反，削弱了内电场,使得多子扩散 > 少子漂移。扩 散电流远大于漂移电流，忽略漂移电流的影响，在外电路上 形成流入P区的电流IF， PN结呈现低阻性，也称PN结导通。
自由电子和空穴是同时成对
视为空穴从 x1 x2 x3 出现的，称为电子空穴对。
半导体中出现 两种载流子
自由电子 空穴
电量相等，极性相反
因共价键中出现空穴，在外加 电场的作用下邻近束缚电子就 会填补到这个空位上，而在这 个束缚电子原来位置又会出现 新的空穴，以后其他束缚电子 又可转移到这，这样就在共价 键中出现一定的电荷迁移。
(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：
i) 当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区或门坎电压 ii) 当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长，
二极管正向导通。
Si二极管的死区电压Vth=0.5 V左右， Ge二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。
Vth
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
即多子 » 少子 ∴半导体导电能力主要由杂质决定
§ 2. PN结和半导体二极管
1、PN 结的形成
用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区
域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。
扩散—空间电荷区——漂移——动态平衡—— PN结。
2. 发光二极管
此管通过电流时将发出光来，是电子与空穴直接复合而放出能量 的结果。使用的材料不同，光的波长不同，从而颜色也不同。 常作显示器件。也可将电信号转换为光信号，之后经光缆传输， 再通过光电二极管再现电信号，实现电信号的传输。
3. 稳压二极管 Dz
稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击穿 是可逆的,且反向电压较稳定.
(3)PN结V- I 特性表达式
I IS (eVD/ nVT 1) IS eVD/ n26mv 1
其中
☆IS V—D为—正反向且饱VD和>>电VT流
iD/mA 1.0
nI——发I射S e系V数/ ，n216~m2 v
VT ——温度的电压当量
0.5 iD=– IS
且☆在VD常为温负下且（∣TV=D3∣00>K>）VT
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺 杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。P 为Positive的字头。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 因而三价杂质也称为受主杂质。
2. N型半导体
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 容易形成自由电子。
对于理想D，只要V阳> V阴→导通(且导通后即箝位),
否则截止
(3)关于优先导通
(V阳—V阴)大的二极管优先导通且箝位
例:
D2
D1:V阳1—V阴1=0v-(-3v)=3v
V2 6V
D1 A D2:V阳2—V阴2=6v-(-3v)=9v
R3
D2优先导通且优先箝位(短路)
V1
3V
0v
→VAO = 6v，D1受反压截止
内电场ε 0方向一致，加强了内电场。内电场对多子扩散起阻
碍作用→0，而使少子漂移↑→反向电流IR 。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的， 故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小
无关，这个电流称为反向饱和电流IS 。 且∵少子数目很少∴IS 很小(μ A级)， PN结呈现高阻性，也称 PN结截止。
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管
阳极 阴极 引线 引线
P N P 型支持衬底
(c)平面型
往往用于集成电路制造 艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。
(4) 二极管的代表符号
阳极 a
k 阴极
D
(d) 代表符号
2. 二极管的伏安特性
UZ表示反向击穿电压，亦即稳 压管能稳定的电压。
稳压管的稳压作用在于：在反 向击穿状态，很大的电流变化 量只能引起很小的电压变化量。 曲线越陡，稳压性能越好。
IZ和IZM表示工作在稳压状态的 最小和最大工作电流。反向电
流小于IZ时，稳压管在反向截 止状态，稳压特性消失；大于
IZM时，稳压管可能被烧毁。
雪崩击穿
齐纳击穿
电击穿——可逆 VBR
热击穿——不可逆
3. 二极管的主要参数
1、最大整流电流IF 是指管子长期运行时，允许通过的最大 正向平均电流。 2、反向击穿电压VBR 是指管子反向击穿时的电压值。手册 上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。 3、反向电流IR 是指管子未击穿时的反向电流。其值越小， 单向导电性越好。 4、极间电容Cd 是反映二极管中PN结电容效应的参数。工作 在高频或开关状态时，必须考虑极间电容的影响。 5、反向恢复时间TRR 当二极管的外加电压从正偏变为反偏 时，反向电流从较大变为正常值所需要的时间。
2 半导体二极管及其基本电路
基本要求 1、掌握二极管的结构特性和参数 2、掌握二极管的单向导电性及基本电路
§ 1. 半导体的基础知识
根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、 绝缘体和半导体。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 一、半导体的特性
1. 光敏、热敏特性
2. 当掺受杂外特界性热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。如光敏电阻,热敏电阻 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。
• 高电阻， PN结截止 PN结加反向电压 • 很小的反向漂移电流(N-> P)
外电场驱使多空数间载电流荷子区的两扩侧散的运空动穴难和于自进由行电子移走
空间电荷区变宽
P区
N区
IR
内电场方向
R
少数载流子越过PN结
外电场方向
形成很小的反向电流
E
☆ 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 很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性
3. 空穴及其导电作用
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 出现一个空位，称这个空位为空穴。 空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！
束缚电子从 x3 x2 x1 显然，因热激发而出现的
–1.0
–0.5
0
0.5
VT
I

kT
q
I S0.026V

26mV
PN结的伏安特性
1.0 D/V
二、半导体二极管
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 1. 分类 二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型
(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。
伏安特性曲线
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, 由本征激发形成。N为 Negative的字头。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，故称为施主杂质。
3. 杂质对半导体导电性的影响
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Si的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3