半导体器件非线性器件二极管

半导体器件

非线性器件

二极管

绪论

二极管是有两个端子非线性器件，其V-I特性与端子极性有关，且为非线性。虽然二极管的非线性增加了电路设计和分析的复杂程度，但是二极管的非线性以及极性特性在电路设计中既有趣又有用。

图1是二极管的基本电路符号，与电阻不同的是（电阻的两个端子没有极性的区别），二极管的特性是由其端子的极性决定的。

图1．二极管电路模型

图1也给出了二极管两端的所加电压极性以及通过二极管的电流方向。

根据二极管所加电压Vd极性的不同，二极管有以下两种工作状态：

正向偏置，（Vd>0），阳极电压高于阴极电压，或者

反向偏置，（Vd<0），阴极电压低于阳极电压。

二极管模型

理想二极管模型

考虑和分析理想二极管模型能够使我们对这些非线性器件的基本特性有所了解，有助于我们分析包含二极管的电路。

当然二极管模型的讨论涉及到其伏安（V-I）特性的数学和图形表达，理想二极管V-I 特性以及符号如图2所示。

图2．理想二极管的V-I特性（a）和符号（b）

当反向电压加到二极管两端时，流过二极管的电流为零，当流过二极管的电流大于零时，二极管两端的电压降为零。

从图2中可以明显的看出二极管的非线性特性。

这种简单模型显示了理想二极管特性，但是缺乏重要的细节部分。下面我们将讨论一个二极管的真实模型。

实际二极管模型

二极管是由位于元素周期表的第IV列的硅或者其他元素构成的半导体器件，像硅和锗一样的物质的导电性比较差。在硅中掺杂一点位于周期表中第Ⅲ列（比如硼－B）或者第Ⅴ列（比如磷－P）的元素，会极大的提高硅的导电性。导电性的变化是跟在这种物质里面移动的自由电子密切相关的。

硅中的电子由于其晶体结构而紧紧的束缚在一起，如果在硅中添加磷（第Ⅴ列），则在这种晶体结构中增加了另一种电子。这种“额外”电子不参与晶体结构的维持，因此这个电子有相当大的自由可以在半导体中从一个位置移动到另一个位置。掺杂了第Ⅴ列元素的物质被称作“n型半导体”，表示自由移动的电荷—电子。

如果在硅中添加第Ⅲ列元素（Ba,Al,Ga），那么其晶体结构会缺少一个电子。这种缺少电子的地方看起来像一个多余的正电荷，被称作空穴。电子可以很容易移动到这个空穴里来，而这个电子移动之前的位置将会形成一个新的空穴。这些空穴的移动看起来像正电荷的流动。因此，被添加了第Ⅲ列元素的硅被称作为“p型半导体”，表示正电荷—空穴。

如图3（a）中所示，在硅中构造p和n区域就制成了二极管。图3（b）中展示了二极管的符号以及相应p和n区域。p和n区域的交界处被称作p-n结。

图3．

一个二极管（实际模型）的电压Vd 和其电流Id 之间关系的数学如下：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−⎟⎟

⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1exp T V Vd Is Id (1.1)

其中用来描述二极管特性的参数Is 和V T 是常量，Is 为反向饱和电流，它与二极管电压无关。对于硅二极管来说，Is 为A 或者更少。V T 被称为温度的电压当量，V 1210−T q

kT ≡

（k ＝玻尔兹曼常数，T=温度，q ＝电子电荷量）。室温下V T ＝26mV 。

图4显示了一个硅二极管Id 和Vd 之间典型的关系曲线。电流对电压呈指数增长。图5显示V-I 特性曲线采用对数坐标，从中可以看出来，电压上小小的变化就会造成电流成倍的增加。注意到，我们已经在Vd ＝0.7伏的位置上画了一条垂直直线，用来表示对于通过大电流的二极管的管压降已经没有变化了。后面我们将要利用这种性质构建一种简单的二极管模型。

图4．硅二极管的V-I 特性

图5．硅二极管的V-I 特性（半对数坐标）

在大多数情况，偏压少于100mV ，电流少于A 可以忽略的，但在有些应用中就不能忽略的。同样当Vd >200mV 时，与Id 和Vd 相关的数学表达式可以简化为：

1110− ⎟⎟⎠

⎞

⎜

⎜⎝⎛≅T V Vd Is Id exp （1.2） 图6显示的也是V-I 特性，从中可以看到其反向偏压特性。

图6．硅二极管的I-V 特性

当二极管两端加上一个反向偏置电压（也就是当Vd<0时），二极管出现了一些有趣的特性。首先，如果反向偏置的电压比较小，那么通过流过二极管的电流就是反向偏置电流Is。当反向偏置电压增加到一点的数值（Vb）时，由p-n结产生的导电区域会产生一个非常大的反向偏置电流。这种现象就称为击穿，发生反向击穿时所对应的电压就称为击穿电压（Vb），如图7所示。（图7中所展示的曲线图不代表一个真实二极管的特性，只是展示可以看见的击穿区域的部分）。对硅二极管来说，其击穿电压在50-200伏的范围内。我们在设计二极管电路的时候，必须注意到二极管的反向电压不要超过了其击穿电压。

图7．

恒压降模型

Id和Vd之间指数关系造成系统的非线性，但是这样使得我们有机会为二极管建立一个非线性简单模型。其模型图如图8所示。

图8．二极管分段线性近似模型

在这种模型中，Vg为0.7伏。这条“垂直”的直线的斜率是非常大的，其与二极管非常小的等效电阻（Rf）相对应。由于Rf非常小（Rf＝0，斜率＝∞），可以被忽略，其模型如图9所示。

图9．恒压降模型

这个是前面叙述的理想二极管模型（见图2）的改进模型，它是根据实际二极管模型建立起来的。这种模型称作恒压降模型（或者0.7伏模型）。电压Vg为管压降。硅二极管的管压降Vg＝0.7伏，锗二极管的Vg＝0.2伏。

二极管电路

半波整流

我们从图10中的电路着手。假设二极管是理想的，我们来分析这个电路。输入电压Vin 为正弦波，其波形如图11所示。

图10．二极管电路

图11．正弦信号Vin

我们可以看到，在Vin>0的时间里，二极管为正向偏置，这个“理想”二极管的两端电压为0。此种现象也可以从图12（a）的等效电路看出来，从图中可以明显的看出输出电压Vo等于输入电压Vin。类似，在Vin<0的时间里，此二极管反向偏置，因此二极管中的电流为零，其等效电路如图12（b），输出电压为零。

图12．Vin>0与Vin<0时，理想二极管的等效电路图