第3章二极管及其基本电路.ppt

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1、 本章内容简介本章内容简介 半导体二极管是由一个半导体二极管是由一个PN结构成的半导结构成的半导体器件体器件,在电子电路有广泛的应用。在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节主要讨论了半导体器件的核心环节PN 结。结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也管、变容二极管和光

2、电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。给予简要的介绍。1 主要内容主要内容 1.半导体的基本知识半导体的基本知识 2.PN结的形成及特点结的形成及特点 3.半导体二极管的结构、特性、参半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路数、模型及应用电路 2基本要求基本要求 1.了解半导体了解半导体的基础知识的基础知识 2.理解理解PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 3.掌握掌握二极管（包括稳压管）的二极管（包括稳压管）的V-I特性特性及主要性能指标及主要性能指标 4.掌握二极管电路的分析方法和应用掌握二极管电路的分析方法和应用 33.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.2 PN结的形

3、成及特性结的形成及特性3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管二极管的的基本电路及其分析方法基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管4 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 5 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，称为半导电性能介于导体与绝缘体之间材料，称为半导体。导体。在电子

4、器件中，常用的半导体材料有：元素半在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（导体，如硅（Si）、锗（）、锗（Ge）等；化合物半导体，）等；化合物半导体，如砷化镓（如砷化镓（GaAs）等。其中硅是最常用的一种半导）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。体材料。6 半导体有以下特点：半导体有以下特点：1半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2半导体受外界光和热的激半导体受外界光和热的激励励时，其导电能力时，其导电能力将会有显著变化。将会有显著变化。3在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会能力会显著显著增增加加。

5、7 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下和锗，它们的简化原子模型如下图图所示。硅和锗所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶形成有排

6、列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如下所示。图中表示的是晶体的二体结构示意图如下所示。图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列4444共价键共价键中的两个电子A(a)(b)3.1.3 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴空穴共

7、价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的由热激发而产生的自由电子和空穴对自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。现的。3.1.3 本征半导体本征半导体 本征激发本征激发 在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发空穴对的现象称为本征激发.空穴的出现是半导体区别于导体的一个

8、重要特点空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点.3.1.3 本征半导体本征半导体 由于共价键出现了空穴，在外加电场由于共价键出现了空穴，在外加电场或其或其它能源它能源的作用下，邻近价电子就可填的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其置上又留下新的空位，以后其它它电子电子又又可可转移到这个新的空位。这样就使共价键中转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。电子移动的方向是相反的。本征半导体中的自由电子和空穴数总本征半导体

9、中的自由电子和空穴数总是相等的。是相等的。3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 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。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。的半导体。1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中

10、因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。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提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。2.P型半导体型半导体 因

11、三价杂质原因三价杂质原子在与硅原子形成共子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价价键时，缺少一个价电子而在共价键中留电子而在共价键中留下一个空穴。下一个空穴。在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺它主要由掺杂形成杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导

12、体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.2.1 PN结的形成结的形成3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性3.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应19 3.2.1 PN结的形成结的形成 平衡状态下的PN结(a)初始状态;(b)平衡状态;(c)电位分布 P区N区P区N区耗尽层空间电荷区内建电场(a)(b)(c)U 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,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半

13、导体。此时将在N型型半导体和半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过型半导体的结合面上形成如下物理过程程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质

14、离子形成空间电荷区 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 iD/mA 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 0 1.0 vD/V PN结的伏安特性结的伏安特性 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向运用 P区N区未加偏压时的耗尽层加正偏压时的耗尽层未加偏压时的电位分布U E电位合成电场(a)(

15、b)ERU 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(2)PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定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，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，的大小无关，这个电流也称为这个电流也称

16、为反向饱和电流反向饱和电流。iD/mA 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 0 1.0 D/V PN结的伏安特性结的伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 0 1.0 vD/V PN结反向运用 未加偏压时耗尽层加反偏压时耗尽层电位EU E合成电场(a)(b)UR PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结结V-I 特性表达式特性表达式其中其中iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1e(/SDD TVvIiIS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026.0 qkTVTmV 26 3.2.