1、第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 第第0章章 绪绪 论论 电子技术包括电子技术包括模拟电子技术模拟电子技术和和数字电子技术数字电子技术两大分支，缺一两大分支，缺一不可。不可。1第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 一、什么是电子技术？其发展概况如何一、什么是电子技术？其发展概况如何？2、发展概况：、发展概况：1）真空管或电子管时代）真空管或电子管时代 2）晶体管时代）晶体管时代 3）集成电路时代）集成电路时代 4）超导材料、纳米材料）超导材料、纳米材料 （纳米电子学为十大科技之首）（纳米电子学为十大科技之首）1、定义：定义：又名电子学，它是一
2、门研究各种电子器件、又名电子学，它是一门研究各种电子器件、电子电路及其应用的学科。是当代发展最迅速的电子电路及其应用的学科。是当代发展最迅速的学科之一。学科之一。2第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 1 1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点，具有集成器件应用的设计能力。点，具有集成器件应用的设计能力。2 2、掌握电子技术的基本概念、基本知识、基本、掌握电子技术的基本概念、基本知识、基本分析方法（分析方法（“三基三基”），为后续课程打好基础。），为后续课程打好基础。3 3、培养三个能力：综合应用能力，创新能力和、培养三个能力：综
3、合应用能力，创新能力和电子电路的分析、设计能力。电子电路的分析、设计能力。4 4、研究内容是电子器件（包括组件）、基本电、研究内容是电子器件（包括组件）、基本电子电路及其构成的应用系统。子电路及其构成的应用系统。5 5、器件、器件 电路电路 应用系统应用系统二、本课程的任务、研究内容二、本课程的任务、研究内容3第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 电子技术基础是一门技术基础课，应有工程的电子技术基础是一门技术基础课，应有工程的观点，采用观点，采用工程近似工程近似的方法简化实际问题。的方法简化实际问题。接近工程实际，认真对待模拟电子技术实验课接近工程实际，认真对待模拟电子
4、技术实验课程，巩固理论知识，掌握基本实验技能。程，巩固理论知识，掌握基本实验技能。三、课程的特点与学习方法三、课程的特点与学习方法4第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 11 半导体物理基础知识半导体物理基础知识12 PN结结13 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路14 特殊二极管特殊二极管 5第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 11 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 1.半导体材料：半导体材料：主要是硅主要是硅(Si)、锗锗(Ge)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。
5、等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。化。按导电性能的不同，物质可分为：按导电性能的不同，物质可分为：导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体6第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 4图图11 原子的简化模型原子的简化模型2.半导体半导体的原子结构：的原子结构：7第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 纯净的单晶半导体称为纯净的单晶半导体称为本征半导体本征半导体。制造半导制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到体器件的半导体材料的
6、纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵有规律的空间点阵(称为晶格称为晶格)。四个价电子与相邻的。四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四个原子中的价电子分别组成四对共价键四对共价键，依靠共，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能不能在晶体中自由
7、移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。参与导电。8第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 4共价键价电子44444444图图12单晶硅和锗的共价键结构示意图单晶硅和锗的共价键结构示意图 9第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 一、半导体中的载流子一、半导体中的载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 在常温下，或者受到光照时，半导体中将同时激发出在常温下，或者受到光照时，半导体中将同时激发出两种载流子两种载流子自由电子自由电子（带单位负电荷）和（带单位负电荷）和空穴空穴（带单（带单位正电荷），它们总是成对地出现，通常称之为位正电荷），它们总是成对地出现，
8、通常称之为电子空穴电子空穴对。对。如图如图1-3 本征半导体受外界能量（热、电、光等能量）激发，同本征半导体受外界能量（热、电、光等能量）激发，同时产生电子、空穴对的过程称为时产生电子、空穴对的过程称为本征激发本征激发。二、本征载流子浓度二、本征载流子浓度 1复合：在本征半导体中，由于本征激发，不断产生复合：在本征半导体中，由于本征激发，不断产生电子、空穴对，使载流子密度增加。与此同时，又会有电子、空穴对，使载流子密度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，电子会填入空相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对穴成为价电子
9、，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。电子、空穴，这一过程称为复合。10第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 444444444自由电子空穴图13本征激发产生电子和空穴动画动画11第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 2载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定
10、。理论分析表明，本征载流子的浓度载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为：为：kTEiiGeTApn2/2/300(11)式中式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度分别表示电子和空穴的浓度(cm3)；T为热为热力学温度力学温度(K)；EG0为为T=0K时的禁带宽度时的禁带宽度(硅为硅为1.21eV,锗锗为为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数(8.63106 V/K)；A0是与是与半导体材料有关的常数半导体材料有关的常数(硅为硅为3.871016cm-3K-3/2，锗为锗为1.761016cm-3K-3/2)。12第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路
11、 3.结论：结论：本征半导体的导电能力是很弱的；本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大（由式本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大（由式1-1可知），所以其导电性能对温度的变化很敏感。可知），所以其导电性能对温度的变化很敏感。112杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体。根据掺入。根据掺入的杂质不同，有的杂质不同，有N型半型半导
12、体导体和和P型半导体型半导体两种。两种。13第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 一、一、N型半导体型半导体 在本征硅在本征硅(或锗或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到锑等，就得到N型半导体型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图图14所示。所示。这种杂质原子能这种杂质原子能“施舍施舍”出一个电子，所以称为出一个电
13、子，所以称为施主施主原子（杂质）原子（杂质）。在在N型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度。故称电型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度。故称电子为多数载流子，简称子为多数载流子，简称多子多子；而空穴称为少数载流子，简；而空穴称为少数载流子，简称称少子少子。因此。因此N型半导体主要靠电子导电，所以也称为型半导体主要靠电子导电，所以也称为电电子型半导体子型半导体。14第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 444454444键外电子施主原子 图图14N型半导体原子结构示意图型半导体原子结构示意图 15第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、二、P型半导体型
14、半导体 在本征硅在本征硅(或锗或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到铟等，就得到P型半导体型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如缺少一个价电子而出现一个空位，如图图1-5所示。所示。这种杂质能接受价电子，所以称为这种杂质能接受价电子，所以称为受主原子受主原子（杂质）（杂质）在在P型半导体中，空穴浓度远大于
15、电子浓度。故称型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度。故称空穴为空穴为多数载流子，简称多子多数载流子，简称多子；而；而电子称为少数载流子，简称少子。电子称为少数载流子，简称少子。因此因此P型半导体主要靠空穴导电所以也称为型半导体主要靠空穴导电所以也称为空穴型半导体空穴型半导体。16第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 444434444空位受主原子图15 P型半导体原子结构示意图 注意：注意：N型半导体和型半导体和P型半导体仍然是电中性的。型半导体仍然是电中性的。17第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 三、杂质半导体的载流子浓度三、杂质半导体的载流
16、子浓度 在杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常在杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。子数却远大于本征载流子数。因此，因此，在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺杂浓度决定。杂浓度决定。杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值度值ni
17、的平方。即的平方。即 对对N型半导体，多子型半导体，多子nn与少子与少子pn有有18第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 AipipippDinininnNnpnnnnpNnnnpnpn222222对对P型半导体，多子型半导体，多子pp与少子与少子np有有(12a)(12b)(13a)(13b)N型半导体，施主浓度P型半导体，受主浓度19第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 结论：结论：本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。的浓度，并使一种载流子多，
18、而另一种载流子少。多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的大小与少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的大小与温度有十分密切的关系。温度有十分密切的关系。20第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 113半导体中的电流半导体中的电流 在半导体中有两种电流在半导体中有两种电流：漂移电流（漂移运动）漂移电流（漂移运动）和和扩扩散电流（扩散运动）。散电流（扩散运动）。一、漂移电流（漂移运动）一、漂移电流（漂移运动）定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移定义：在电场作用下，半导
19、体中的载流子作定向漂移运动形成的电流。运动形成的电流。形成：当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成：当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流形成电子电流In，而空穴顺电场方向作定向运动，形成而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流空穴电流Ip。In和和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。及外加电场的强度等因素决定。21第第1章章
20、半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、扩散电流（扩散运动）二、扩散电流（扩散运动）1定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的地方布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，形成的电流。作扩散运动，形成的电流。2扩散电流主要取决于载流子的浓度差（即浓度扩散电流主要取决于载流子的浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与浓度值无梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与浓度值无关。关。反映在浓度分布曲线上反映在浓度分布曲线上(见图见图16)，即扩散电流，即扩散电流正正比于浓度分
21、布线上某点处的斜率比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。22第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 x0 x0n(0)n(x)p(x)n0图图16半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度分布 23第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 12 PN结结通过掺杂工艺，把本征硅通过掺杂工艺，把本征硅(或锗或锗)片的一边做片的一边做成成P型半导体，另一边做成型半导体，另一边做成N型半导体，这样在型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为称为PN结结。PN结是构造半导
22、体器件的基本单元。其中，结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，结构成的。因此，讨论讨论PN结的特性实际上就是结的特性实际上就是讨论晶体二极管的讨论晶体二极管的特性。特性。24第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 121 PN结的形成结的形成 P型半导体和型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，型半导体有机地结合在一起时，P区空穴多，区空穴多，N区电子多区电子多 交界处存在空穴和电子的浓度差交界处存在空穴和电子的浓度差 P区空穴向区空穴向N区扩散，并与区扩散，并与N区电子复合；而区电子复合；而N区电子向区电
23、子向P区扩散，并与区扩散，并与P区空穴复合区空穴复合 P区和区和N区分别留下区分别留下不能移动的受主负离不能移动的受主负离子和施主正离子子和施主正离子 在界面两侧形成了等量在界面两侧形成了等量正、负离子组成的空间正、负离子组成的空间电荷区（电荷区（如图如图1-7）形成一个方向由形成一个方向由N区指向区指向P区的内电场，该内电场阻止区的内电场，该内电场阻止多子扩散、引起少子漂移多子扩散、引起少子漂移 少子漂移使界面两少子漂移使界面两侧的正负离子对相侧的正负离子对相对减少对减少 因此只有当扩散运动和漂移运动达因此只有当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度到动态平衡时，空间电荷区的宽度
24、和内电场的大小才能相对稳定下来和内电场的大小才能相对稳定下来 动画动画25第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 P(a)NP(b)N空间电荷区内电场UB 图17 PN结的形成26第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，空间电荷区展宽，使内电场不断不断进行，空间电荷区展宽，使内电场不断，漂移运动随之漂移运动随之，而扩散运动相对，而扩散运动相对。最后，使。最后，使扩散和漂移运动达到扩散和漂移运动达到动态平衡动态平衡。平衡时，。平衡时，空间电空间电荷区的宽度一定，荷区的
25、宽度一定，UB也保持一定，如也保持一定，如图图17(b)所示。所示。由于空间电荷区内没有载流子，所以空间由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为电荷区也称为耗尽区耗尽区(层层)。又因为空间电荷区。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为所以又称它为阻挡区或势垒区。阻挡区或势垒区。27第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 对称对称PN结：如果结：如果P区和区和N区的掺杂浓度相同，则耗区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结。见尽区相对界面对称，称为对称结。见图图17(b)不对称不对称PN
26、结：如果一边掺杂浓度大结：如果一边掺杂浓度大(重掺杂重掺杂)，一，一边掺杂浓度小边掺杂浓度小(轻掺杂轻掺杂)，则称为不对称结，用，则称为不对称结，用P+N或或PN+表示表示(+号表示重掺杂区号表示重掺杂区)。这时耗尽区。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图主要伸向轻掺杂区一边，如图1-8(a),(b)所示。所示。28第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 NP耗尽区(a)PN耗尽区(b)图18不对称PN结 29第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 122 PN结的单向导电特性结的单向导电特性 一、一、PN结加正向电压结加正向电压 forward b
27、ias P 区区N 区区内内电场电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子30第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、二、PN结加反向电压结加反向电压 reverse bias 动画动画P 区区N 区区内内电场电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IR结论：结论：PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电
28、流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 031第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 上次课内容复习：上次课内容复习：1.什么是本征半导体、杂质半导体？什么是本征半导体、杂质半导体？2.杂质半导体有哪些类型？分别如何得到？杂质半导体有哪些类型？分别如何得到？3.杂质半导体的多子浓度和少子浓度分别由什么决定的？杂质半导体的多子浓度和少子浓度分别由什么决定的？4.为什么杂质半导体是呈现电中性的？为什么杂质半导体是呈现电中性的？
29、5.“当当PN结正偏时，正向电压有微小变化时，也会引起结正偏时，正向电压有微小变化时，也会引起正向电流较大的变化；正向电流较大的变化；PN结反偏时，反向电流几乎不结反偏时，反向电流几乎不随外加电压的增大而增大随外加电压的增大而增大”的说法是否正确。的说法是否正确。6.PN结电流与外加电压之间的关系。结电流与外加电压之间的关系。32第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 三、三、PN结电流方程结电流方程 理论分析证明，流过理论分析证明，流过PN结的电流结的电流i与外加与外加电压电压u之间的关系为之间的关系为 (14)式中，式中，IS为反向饱和电流，其大小与为反向饱和电流，其
30、大小与PN结结的材料、制作工艺、温度等有关；的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室室温温)时，时，UT=26mV。)1()1(/TUuSkTquSeIeIi33第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 由式由式(14)可知：可知：PN结正偏，且结正偏，且u大于大于UT几倍以上，则有几倍以上，则有，iIseu/UT，即，即i随随u呈指数规律变化；呈指数规律变化；P N 结 反 偏，结 反 偏，且且|u|大 于大 于 UT几 倍 以 上，则几 倍 以 上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反
31、负号表示与正向参考电流方向相反)。由式由式(14)可画出可画出PN结的伏安特性曲线，如结的伏安特性曲线，如图图111所示。所示。34第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 123 PN结的击穿特性结的击穿特性 由图由图111看出，当反向电压超过看出，当反向电压超过UBR后稍后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为为PN结击穿，并定义结击穿，并定义UBR为为PN结的击穿电压结的击穿电压。PN结发生反向击穿的结发生反向击穿的机理可以分为两种。机理可以分为两种。35第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 图图1
32、11 PN结的伏安特性结的伏安特性 Ou/VI/mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿36第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 一、雪崩击穿一、雪崩击穿 条件：条件：1.PN结反偏；结反偏；2.PN结轻掺杂；结轻掺杂；过程：过程：耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能动能，被加速的少子与中性原子的价电子相碰撞，被加速的少子与中性原子的价电子相碰撞，产生新的空穴、电子对。新的空穴、电子对被电场产生新的空穴、电子对。新的空穴、电子对被电场加速后，又会撞出新的空穴、电子对，这些新的空加速后，又会撞出新的空穴、电子对，这些新的空穴、电
33、子对又被电场加速，形成连锁反应，使耗尽穴、电子对又被电场加速，形成连锁反应，使耗尽区内的载流子数剧增，从而引起反向电流急剧增大。区内的载流子数剧增，从而引起反向电流急剧增大。其现象类似于雪崩，所以称为雪崩击穿。其现象类似于雪崩，所以称为雪崩击穿。37第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、齐纳击穿二、齐纳击穿 条件：条件：1.PN结反偏；结反偏；2.PN结重掺杂；结重掺杂；过程：过程：耗尽区很窄，不大的反向电压就可能在耗耗尽区很窄，不大的反向电压就可能在耗尽区内形成很强的电场（尽区内形成很强的电场（2106V/以上），它以上），它足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出
34、来，足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出来，产生大量的空穴电子对，使反向电流剧增，这种产生大量的空穴电子对，使反向电流剧增，这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。击穿称为齐纳击穿或场致击穿。说明说明：1对硅材料对硅材料PN结：结：UBR7V为雪崩击穿；为雪崩击穿；UBR5V为为齐纳击穿；齐纳击穿；UBR介于介于57V时，两种击穿都有。时，两种击穿都有。2只要限制击穿时流过只要限制击穿时流过PN结的电流，击穿并不损坏结的电流，击穿并不损坏PN结。结。38第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 124 PN结的电容特性结的电容特性 PN结具有电容效应，它由结具有电容效应，它由势垒
35、电容势垒电容和和扩散电容扩散电容两部分组成。两部分组成。一、势垒电容一、势垒电容 当外加电压当外加电压 多子被推向耗尽区多子被推向耗尽区 正、负离正、负离子子 相当于存贮的电荷量相当于存贮的电荷量当外加电压当外加电压 多子被推离耗尽区多子被推离耗尽区 正、负离正、负离子子 相当于存贮的电荷量相当于存贮的电荷量39第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，特性正是电容效应，并称为势垒电容，用用CT表示。经推导，表示。经推导，CT可表
36、示为可表示为 nBTTUuCdudQC)1(0(15)式中：式中：CT0为外加电压为外加电压u=0时的时的CT值，它由值，它由PN结结的结构、掺杂浓度等决定；的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；为内建电位差；n为为变容指数，与变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在结的制作工艺有关，一般在1/36之间。之间。40第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、扩散电容二、扩散电容 正向偏置的正向偏置的PN结，由于多子扩散，结，由于多子扩散，P区的空穴和区的空穴和N区的区的电子大量向对方扩散，分别成为对方区域内的非平衡载流电子大量向对方扩散，分别成为对方区域内的非平衡载流
37、子（非平衡少子），它们在扩散过程中，不断与对方半导子（非平衡少子），它们在扩散过程中，不断与对方半导体中的多子相复合。因此，靠近结区处浓度最高，以后逐体中的多子相复合。因此，靠近结区处浓度最高，以后逐渐衰减，直至达到热平衡值，形成如渐衰减，直至达到热平衡值，形成如图图1-12所示的浓度分所示的浓度分布曲线。扩散电流的大小就取决于分布曲线的斜率。布曲线。扩散电流的大小就取决于分布曲线的斜率。同理，在同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化分布和同样的变化。这种这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的
38、特性，就是电容效应，称为扩散电容特性，就是电容效应，称为扩散电容，用，用CD表示。表示。41第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 N区耗尽区P 区x0 x0Lnnp0Qnnp(0)np 图图112 P区少子浓度分布曲线区少子浓度分布曲线 42第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 由式由式(15)、(16)可知，可知，CT、CD都随外加电压的都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。PN结上的总电容结上的总电容Cj为两者之和，即为两者之和，即Cj=CT+CD。正偏时以正偏时以C
39、D为主，为主，Cj CD，其值通常为几十至几其值通常为几十至几百百pF；反偏时以反偏时以CT为主，为主，Cj CT,其值通常为几至几十其值通常为几至几十pF。因为因为CT和和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。们的影响。43第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 125 PN结的温度特性结的温度特性 PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。具即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温体变化规律是：保持
40、正向电流不变时，温度每升高度每升高1，结电压减小约结电压减小约22.5mV，即即 u/T-(22.5)mV/(17)温度每升高温度每升高10，反向饱和电流，反向饱和电流IS增大一倍。如果增大一倍。如果温度为温度为T1时，时，IS=IS1；温度为温度为T2时，时，IS=IS2，则则 10/)(12122TTSSII (18)44第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时征半导体一样，这
41、时PN结就不存在了。因此，为了保结就不存在了。因此，为了保证证PN结正常工作，结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为硅材料约为(150200)，对锗材料约为，对锗材料约为(75100)。Ou/VI/mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿45第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 13 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路如图如图1-13(a),(b)所示所示 接到接到P型区的引线称为正极型区的引线称为正极(或阳极或阳极)，接到，接到N型区的引线称为负极型区的引线称为负极(或阴极或阴极)。本本节主要讨论普通二极管及其基本
42、应用电节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)46第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金金锑锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底47第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管
43、及其基本电路 PN正极负极(a)负极正极(b)图113 晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图；(b)电路符号48第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 131二极管特性曲线二极管特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与伏安特性与PN结的伏安特性略有差异结的伏安特性略有差异。由图。由图可以可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。
44、49第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 OuD/ViD/mA正向特性正向特性UD(on)导通导通电压电压iD=0U UD(on)iD 急剧上升急剧上升0 U UD(on)UD(on)=(0.6 0.8)V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3)V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿反向击穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)50第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 一、正向特性一、正向特性 导通电压（死区电压）：用导通电压（死
45、区电压）：用UD(on)表示。室温下，表示。室温下，硅管的硅管的UD(on)=(0.60.8)V，锗管锗管UD(on)=(0.10.3)V。正向特性在小电流时，按指数变化规律，电流较正向特性在小电流时，按指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。大以后近似按直线上升。二、反向特性二、反向特性 由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的结的IS大得多。且反向电压大得多。且反向电压反向电流略有反向电流略有，但反向但反向电流仍很小，硅管一般小于电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十锗管小于几十mA。51第第1章章 半导体二极管及其基本电路
46、半导体二极管及其基本电路 132 二极管的主要参数二极管的主要参数 一、直流电阻一、直流电阻RD 定义：二极管两端所加直流电压定义：二极管两端所加直流电压UD与流过与流过它的直流电流它的直流电流ID之比，即之比，即DDDIUR 几何意义几何意义：二极管伏安特性曲线上某一点：二极管伏安特性曲线上某一点Q(ID,UD)到原点直线到原点直线斜率的倒数斜率的倒数即为该点的即为该点的RD。RD不是恒不是恒定值。如定值。如图图1-15（a)52第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQi 图图115二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义 (
47、a)直流电阻直流电阻RD；(b)交流电阻交流电阻rD53第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二、交流电阻二、交流电阻rD 定义：二极管在其工作状态定义：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微处的电压微变量与电流微变量之比，即变量与电流微变量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr,(110)几何意义几何意义：二极管伏安特性曲线上二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点点处处切线斜率的倒数切线斜率的倒数。图图115(b)对式对式(14)求导可得求导可得rD，即即DQTQUuSTQDIUeIUdidurT/(111)54第第1章章 半导体二极管及其基本电
48、路半导体二极管及其基本电路 可见可见rD与与工作电流工作电流IDQ成反比，并与温度有成反比，并与温度有关。室温条件下关。室温条件下(T=300K):)()(26mImVrDQD(112)由于二极管的非线性伏安特性，所以交、由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是直流电阻均是非线性电阻非线性电阻，即，即特性曲线上不同特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直和直流电阻也不相同。流电阻也不相同。55第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 三、最大整流电流三、最大整流电流IFM IFM指二极管允许通过的最大正向平均电流。指
49、二极管允许通过的最大正向平均电流。四、最大反向工作电压四、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压。指二极管工作时所允许加的最大反向电压。通通常取常取UBR的一半作为的一半作为URM。五、反向电流五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。指二极管未击穿时的反向电流。IR越小，单向越小，单向导电性能越好。导电性能越好。六、最高工作频率六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，时，二极管的单向导电性能变坏。二极管的单向导电性能变坏。56第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 133
50、半导体二极管的电路模型半导体二极管的电路模型 二极管是一种非线性电阻二极管是一种非线性电阻(导导)元件，在大信号工元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。所呈现的非线性往往是次要的。1.1.理想模型理想模型 在正向偏置时，其管压降在正向偏置时，其管压降为为 0V;0V;而在反向偏置时，认而在反向偏置时，认为电阻无穷大。为电阻无穷大。iDVDiDvD57第第1章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 2.2.恒压降模型恒压降模型 二极管导通后二极管导通后,其管压降其管压降认为是恒定的认为是恒
