第二章半导体二极管及其基本电路

第二章半导体二极管及其基本电路

学习要求:

（1）了解半导体器件中扩散与漂移的概念、PN结形成的原理。

（2）掌握半导体二极管的单向导电特性和伏安特性。

（3）掌握二极管基本电路及其分析方法。

（4）熟悉硅稳压管的稳压原理和主要参数。

第一节半导体的基本知识

多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的。为了从电路的观点理解这些器件的性能，首先必须从物理的角度了解它们是如何工作的。

一、半导体材料

从导电性能上看，物质材料可分为三大类：

导体：电阻率ρ < 10-4 Ω·cm

绝缘体：电阻率ρ > 109 Ω·cm

半导体：电阻率ρ介于前两者之间。

目前制造半导体器件的材料用得最多的有：硅和锗两种

二、本征半导体及本征激发

1、本征半导体

没有杂质和缺陷的半导体单晶，叫做本征半导体。

2、本征激发

当温度升高时，电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，称为本征激发。

三、杂质半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体两大类。

1、P型半导体

在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体，P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

2、N型半导体

在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

第二节PN结的形成及特性

一、PN结及其形成过程

在杂质半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。

1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动

在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N 型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区

电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P区和N 区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。

3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动

在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻

止载流子的扩散运动的。

综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。

二、PN结的单向导电性

PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。

1、外加正向电压

当PN结外加正向电压时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用V F表示。

在V F作用下，通过PN结的电流称为正向电流I F。外加正向电压的电路如图所示。

2、外加反向电压

当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN结）变宽, 同时空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用V R表示。在V R作用下，通过PN结的电流称为反向电流I R或称为反向饱和电流I S。如下图所示。

3、PN结的伏安特性

根据理论分析，PN结的伏安特性可以表达为：式中i D为通过PN结的

电流，v D为PN结两端的外加电压；V T为温度的电压当量=kT/q=T/11600=0.026V，其中k为波尔慈曼常数（1.38×10-23J/K），T为绝对温度（300K），q为电子电荷（1.6×10-19C）；e为自然对数的底；I S为反向饱和电流。

第三节半导体二极管

一、半导体二极管的结构

半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型二极管是由一根很细的金属触丝(如三价元素铝)和一块半导体(如锗)的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成，如图 2.7所示。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。如2APl是点接触型锗二极管，最大整流电流为16mA，最高工作频率为15OMHz。

面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，其结构如图2.7 所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CPl为面接触型硅二极管，最大整流电流为40OmA，最高工作频率只有3kHz。

图2.7中的硅工艺平面型二极管结构图，是集成电路中常见的一种形式。代表二极管的符号也在图2.7中示出。

部分二极管实物如图2.8所示。