模拟电子技术基础_杨拴科_第1章课件
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PN结面积小， PN结面积小，结 结面积小 电容小， 电容小，用于检波和 变频等高频电路。 变频等高频电路。
二极管的结构示意图
(a)点接触型 (a)点接触型
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(2) 面接触型二极管
PN结面积大， PN结面积大，用于 结面积大 工频大电流整流电路。 工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。 结面积可大可小， 艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。 用于高频整流和开关电路中。
所以，在半导体中有2种可以自由移动的带电粒 所以，在半导体中有 种可以自由移动的带电粒 载流子： 子—载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴 载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴。
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可见， 可见，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。 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。 由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
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1. 正向特性 整个正向特性曲线近似地呈现为指数曲线。 （1）整个正向特性曲线近似地呈现为指数曲线。
iD = IS (e
uD /VT
−1)
正向电流为零， （2）当0＜V＜Vth时，正向电流为零， Vth称为死 区电压或开启电压。硅管的死区电压约为0.5V； 区电压或开启电压。硅管的死区电压约为0.5V；锗 0.5V 管的死区电压约为0.1V 管的死区电压约为0.1V
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（2）当V≥VBR时 ，反向电流急剧 增加， 增加，VBR称为反 向击穿电压 。 当二极管反向击穿时，反向电流还不太大时， 当二极管反向击穿时，反向电流还不太大时，功耗 PD 不超过允许结温，一旦降低反向电压，二极管仍 不超过允许结温，一旦降低反向电压， 能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿 电击穿。 能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿。当 电击穿后， 超过最高允许结温，造成永久损坏， 电击穿后，PD 超过最高允许结温，造成永久损坏， 这种击穿不可逆，称为热击穿 热击穿。 这种击穿不可逆，称为热击穿。
diD duD的倒数称为二极管的动态电阻或交流电阻 ，记作 rd ，故 UT rd ≈ iD
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2. 反向特性 即处于反向特性区域。 当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分 两个区域： 两个区域： （1）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 。
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2. PN结反向偏置 PN结反向偏置 当外加电压使PN 当外加电压使PN 结中P区的电位低于N 结中P区的电位低于N 区的电位，称为加反 区的电位，称为加反 向电压，简称反偏 反偏。 向电压，简称反偏。 特点： 特点： •高电阻 高电阻 •很小的反向漂移电 很小的反向漂移电 流
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在对于P型半导体和N型半导体结合面， 在对于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 PN结 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。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
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本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 化学成分纯净的半导体晶体。 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 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 。 99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构 上呈单晶体形态。 上呈单晶体形态。
（a）面接触型
（b）集成电路中的平面型
（c）代表符号
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1.2.2 半导体二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示
iD = IS (e
uD /VT
−1)
硅二极管2CP10的 硅二极管2CP10的V-I 特性 2CP10
锗二极管2AP15的 锗二极管2AP15的V-I 特性 2AP15
这一现象称为本征激发，也称热激发 这一现象称为本征激发，也称热激发 本征激发
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自由电子产生的同时， 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，呈现出正电性，与电子的负电量 出现了一个空位，呈现出正电性， 相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 空穴。 相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
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1
半导体二极管及其应用 1.1 PN 结
1.1.1 PN结的形成 PN结的形成 1. 本征半导体 导电能力（电阻率）介于导体和绝缘体之 导电能力（电阻率） 间的物体成为半导体(semiconductors)。 。 。
9 半导体的电阻率为 −3 10 半导体的电阻率为 −10 Ω⋅ CM 。典型 的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
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电子空穴对 在绝对零度时，导体中没有自由移动带电粒子， 在绝对零度时，导体中没有自由移动带电粒子， 即无载流子。 即无载流子。 当温度升高或受到光的照射时， 当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增 有的价电子可以挣脱原子核的束缚， 高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导 成为自由电子。 电，成为自由电子。
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型半导体中自由电子是多数载流子 自由电子是多数载流子， 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。 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 施主杂质。 离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
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当在4V～7V之间两种击穿都有 之间两种击穿都有， 当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零 4V 温度系数点。用于整流的二极管， 温度系数点。用于整流的二极管，其击穿电压一般 总是大于6V，故其击穿属于雪崩击穿， 总是大于6V，故其击穿属于雪崩击穿，只有硅稳压 6V 二极管的反向击穿电压有小于或等于4V的可能， 二极管的反向击穿电压有小于或等于4V的可能，才 4V的可能 会出现齐纳击穿。 会出现齐纳击穿。
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在一定的温度条件下， 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， 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， 基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称 反向饱和电流，记作Is。 为反向饱和电流，记作 。 结论：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有 结论：PN结加正向电压时，呈现低电阻， 结加正向电压时 较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时 结加反向电压时， 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。 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 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
由于随机热振动致使共价键被打破而产 生空穴－ 生空穴－电子对
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡
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2. 掺杂半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 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。 使半导体的导电性发生显著变化。 （1） N型半导体 ） 在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷（P）、 在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷（ As）的半导体。 砷（As）的半导体。 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， 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。 电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
1.1.2 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性 PN结中的势垒使PN结具有单向导电性。 PN结中的势垒使PN结具有单向导电性。 结中的势垒使PN结具有单向导电性 1. PN结正向偏置 PN结正向偏置 当外加电压使PN 当外加电压使PN 结中P区的电位高于N 结中P区的电位高于N 区的电位，称为加正 区的电位，称为加正 向电压，简称正偏 正偏。 向电压，简称正偏。 特点： 特点： •低电阻 低电阻 • 大的正向扩散电流
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在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 型半导体中空穴是多数载流子， 空穴是多数载流子 形成，自由电子是少数载流子, 由热激发形成。 形成，自由电子是少数载流子, 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。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 负离子 因而也称为受主杂质 受主杂质。 三价杂质 因而也称为受主杂质。 N型半导体和P型半导体均属于非本征半导体，其 型半导体和P型半导体均属于非本征半导体， 中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度； 中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少 子的浓度主要取决于温度；而产生的离子， 子的浓度主要取决于温度；而产生的离子，不参与导 不属于载流子。 电，不属于载流子。
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载流子的漂移与扩散 漂移运动： 漂移运动：在电场作用下引起的载流子的运动 称为漂移运动。 称为漂移运动。 漂移运动 扩散运动： 扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运 动称为扩散运动 扩散运动。 动称为扩散运动。
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3. PN结的形成 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 在一块本征半导体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 别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 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→ 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 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 扩散和少子的漂移达到动态平衡。 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
−1)
kT UT = = 0.026V= 26 mV q
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1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 结上加上引线和封装 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 点接触型 两大类 (1)点接触型二极管 (1)点接触型二极管
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（2） P型半导体 ） 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼（ 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼（B）、 In）的半导体。 铟（In）的半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时， 个价电子而在共价键中留下一个空穴。 个价电子而在共价键中留下一个空穴。
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1.1.3 PN结的电压与电流关系 PN结的电压与电流关系 PN结 特性表达式： PN结V-I 特性表达式：i = Is (e 其中
IS ——反向饱和电流 反向饱和电流
温度的电压当量 UT ——温度的电压当量 且在常温下（ =300K） 且在常温下（T=300K）
u UT
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（3）产生击穿的机理通常有两种解释 。 （a）齐纳击穿 |≤4V时 若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击穿。齐纳击穿 电压具有负的温度系数。 电压具有负的温度系数。 （b）雪崩击穿 硅二极管若|V |≥7V时 主要是雪崩击穿。 硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿。雪 崩击穿电压具有正的温度系数。 崩击穿电压具有正的温度系数。
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开始出现正向电流， （3）当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规 律增长。有 euD /VT 〉〉1 故： iD = ISeuD /VT 律增长。 ，
diD iD uD /VT 1 曲线上升斜率为： ≈ ISe ≈ 当 uD〉〉UT曲线上升斜率为： duD UT UT
二极管的结构示意图
(a)点接触型 (a)点接触型
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(2) 面接触型二极管
PN结面积大， PN结面积大，用于 结面积大 工频大电流整流电路。 工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。 结面积可大可小， 艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。 用于高频整流和开关电路中。
所以，在半导体中有2种可以自由移动的带电粒 所以，在半导体中有 种可以自由移动的带电粒 载流子： 子—载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴 载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴。
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可见， 可见，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。 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。 由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
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1. 正向特性 整个正向特性曲线近似地呈现为指数曲线。 （1）整个正向特性曲线近似地呈现为指数曲线。
iD = IS (e
uD /VT
−1)
正向电流为零， （2）当0＜V＜Vth时，正向电流为零， Vth称为死 区电压或开启电压。硅管的死区电压约为0.5V； 区电压或开启电压。硅管的死区电压约为0.5V；锗 0.5V 管的死区电压约为0.1V 管的死区电压约为0.1V
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（2）当V≥VBR时 ，反向电流急剧 增加， 增加，VBR称为反 向击穿电压 。 当二极管反向击穿时，反向电流还不太大时， 当二极管反向击穿时，反向电流还不太大时，功耗 PD 不超过允许结温，一旦降低反向电压，二极管仍 不超过允许结温，一旦降低反向电压， 能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿 电击穿。 能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿。当 电击穿后， 超过最高允许结温，造成永久损坏， 电击穿后，PD 超过最高允许结温，造成永久损坏， 这种击穿不可逆，称为热击穿 热击穿。 这种击穿不可逆，称为热击穿。
diD duD的倒数称为二极管的动态电阻或交流电阻 ，记作 rd ，故 UT rd ≈ iD
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2. 反向特性 即处于反向特性区域。 当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分 两个区域： 两个区域： （1）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 。
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2. PN结反向偏置 PN结反向偏置 当外加电压使PN 当外加电压使PN 结中P区的电位低于N 结中P区的电位低于N 区的电位，称为加反 区的电位，称为加反 向电压，简称反偏 反偏。 向电压，简称反偏。 特点： 特点： •高电阻 高电阻 •很小的反向漂移电 很小的反向漂移电 流
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在对于P型半导体和N型半导体结合面， 在对于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 PN结 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。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
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本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 化学成分纯净的半导体晶体。 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 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 。 99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构 上呈单晶体形态。 上呈单晶体形态。
（a）面接触型
（b）集成电路中的平面型
（c）代表符号
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1.2.2 半导体二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示
iD = IS (e
uD /VT
−1)
硅二极管2CP10的 硅二极管2CP10的V-I 特性 2CP10
锗二极管2AP15的 锗二极管2AP15的V-I 特性 2AP15
这一现象称为本征激发，也称热激发 这一现象称为本征激发，也称热激发 本征激发
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自由电子产生的同时， 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，呈现出正电性，与电子的负电量 出现了一个空位，呈现出正电性， 相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 空穴。 相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
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1
半导体二极管及其应用 1.1 PN 结
1.1.1 PN结的形成 PN结的形成 1. 本征半导体 导电能力（电阻率）介于导体和绝缘体之 导电能力（电阻率） 间的物体成为半导体(semiconductors)。 。 。
9 半导体的电阻率为 −3 10 半导体的电阻率为 −10 Ω⋅ CM 。典型 的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
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电子空穴对 在绝对零度时，导体中没有自由移动带电粒子， 在绝对零度时，导体中没有自由移动带电粒子， 即无载流子。 即无载流子。 当温度升高或受到光的照射时， 当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增 有的价电子可以挣脱原子核的束缚， 高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导 成为自由电子。 电，成为自由电子。
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型半导体中自由电子是多数载流子 自由电子是多数载流子， 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。 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 施主杂质。 离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
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当在4V～7V之间两种击穿都有 之间两种击穿都有， 当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零 4V 温度系数点。用于整流的二极管， 温度系数点。用于整流的二极管，其击穿电压一般 总是大于6V，故其击穿属于雪崩击穿， 总是大于6V，故其击穿属于雪崩击穿，只有硅稳压 6V 二极管的反向击穿电压有小于或等于4V的可能， 二极管的反向击穿电压有小于或等于4V的可能，才 4V的可能 会出现齐纳击穿。 会出现齐纳击穿。
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在一定的温度条件下， 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， 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， 基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称 反向饱和电流，记作Is。 为反向饱和电流，记作 。 结论：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有 结论：PN结加正向电压时，呈现低电阻， 结加正向电压时 较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时 结加反向电压时， 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。 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 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
由于随机热振动致使共价键被打破而产 生空穴－ 生空穴－电子对
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡
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2. 掺杂半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 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。 使半导体的导电性发生显著变化。 （1） N型半导体 ） 在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷（P）、 在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷（ As）的半导体。 砷（As）的半导体。 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， 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。 电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
1.1.2 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性 PN结中的势垒使PN结具有单向导电性。 PN结中的势垒使PN结具有单向导电性。 结中的势垒使PN结具有单向导电性 1. PN结正向偏置 PN结正向偏置 当外加电压使PN 当外加电压使PN 结中P区的电位高于N 结中P区的电位高于N 区的电位，称为加正 区的电位，称为加正 向电压，简称正偏 正偏。 向电压，简称正偏。 特点： 特点： •低电阻 低电阻 • 大的正向扩散电流
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在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂 型半导体中空穴是多数载流子， 空穴是多数载流子 形成，自由电子是少数载流子, 由热激发形成。 形成，自由电子是少数载流子, 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。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 负离子 因而也称为受主杂质 受主杂质。 三价杂质 因而也称为受主杂质。 N型半导体和P型半导体均属于非本征半导体，其 型半导体和P型半导体均属于非本征半导体， 中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度； 中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少 子的浓度主要取决于温度；而产生的离子， 子的浓度主要取决于温度；而产生的离子，不参与导 不属于载流子。 电，不属于载流子。
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载流子的漂移与扩散 漂移运动： 漂移运动：在电场作用下引起的载流子的运动 称为漂移运动。 称为漂移运动。 漂移运动 扩散运动： 扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运 动称为扩散运动 扩散运动。 动称为扩散运动。
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3. PN结的形成 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 在一块本征半导体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 别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 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→ 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 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 扩散和少子的漂移达到动态平衡。 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
−1)
kT UT = = 0.026V= 26 mV q
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1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 结上加上引线和封装 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 点接触型 两大类 (1)点接触型二极管 (1)点接触型二极管
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（2） P型半导体 ） 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼（ 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼（B）、 In）的半导体。 铟（In）的半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时， 个价电子而在共价键中留下一个空穴。 个价电子而在共价键中留下一个空穴。
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1.1.3 PN结的电压与电流关系 PN结的电压与电流关系 PN结 特性表达式： PN结V-I 特性表达式：i = Is (e 其中
IS ——反向饱和电流 反向饱和电流
温度的电压当量 UT ——温度的电压当量 且在常温下（ =300K） 且在常温下（T=300K）
u UT
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（3）产生击穿的机理通常有两种解释 。 （a）齐纳击穿 |≤4V时 若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击穿。齐纳击穿 电压具有负的温度系数。 电压具有负的温度系数。 （b）雪崩击穿 硅二极管若|V |≥7V时 主要是雪崩击穿。 硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿。雪 崩击穿电压具有正的温度系数。 崩击穿电压具有正的温度系数。
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开始出现正向电流， （3）当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规 律增长。有 euD /VT 〉〉1 故： iD = ISeuD /VT 律增长。 ，
diD iD uD /VT 1 曲线上升斜率为： ≈ ISe ≈ 当 uD〉〉UT曲线上升斜率为： duD UT UT