1、2 半導體二極管及其基本電路重點：晶體二極管的原理、伏安特性及電流方程。難點：1.兩種載流子 2.PN結的形成 3.單向導電性 4.載流子的運動重點難點2021/9/1212 半導體二極管及其基本電路2.1 半導體的基本知識2.3 半導體二極管2.4 二極管基本電路及其分析方法2.5 特殊二極管2.2 PN結的形成及特性2021/9/1222.1 半導體的基本知識 2.1.1 半導體材料 2.1.2 半導體的共價鍵結構 2.1.3 本征半導體 2.1.4 雜質半導體2021/9/123 2.1.1 半導體材料 一、物體的導電特性 根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。半

2、導體：介于導體與絕緣體之間，如：典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。2021/9/124二、半導體的特點1、光敏性和熱敏性: 2、摻雜性：2021/9/1252.1.3 本征半導體一、本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。2021/9/126本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：2021/

3、9/127硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子2021/9/128共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+42021/9/129二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使

4、一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。這種現象稱為本征激發。 1.載流子、自由電子和空穴2021/9/1210+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子2021/9/12112.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。2021/9/1212 2.1.3 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態。空穴共價鍵中的空位。電子空穴對由熱激發而產生

5、的自由電子和空穴對。空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現的。2021/9/1213空穴的移動2021/9/1214溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。2021/9/1215 2.1.4 雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。 N型半導體摻入五價

6、雜質元素（如磷）的半導體。 P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。2021/9/1216 1. N型半導體 因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子, 由熱激發形成。 提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。2021/9/1217 2. P型半導體 因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子

7、是少數載流子， 由熱激發形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質 因而也稱為受主雜質。2021/9/1218 本征半導體、雜質半導體 本節中的有關概念 自由電子、空穴 N型半導體、P型半導體 多數載流子、少數載流子 施主雜質、受主雜質2021/9/12192.2 PN 結的形成及特性 2.2.1 PN結的形成 2.2.2 PN結的單向導電性 2.2.3 PN結的反向擊穿2021/9/1220 2.2.1 PN結的形成圖2.2.1 PN結的形成2021/9/1221PN結的形成P區N區擴散運動載流子從濃度大向濃度小的區域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流內電場內電場阻礙多子

8、向對方的擴散即阻礙擴散運動同時促進少子向對方漂移即促進了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態平衡32021/9/1222 在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程: 因濃度差 空間電荷區形成內電場 內電場促使少子漂移 多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區 對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。 在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 2021/9/1223 2.2.2 PN結的單向導電性 當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱

9、為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) PN結加正向電壓時 低電阻 大的正向擴散電流PN結的伏安特性2021/9/1224+RE（1）PN 結正向偏置內電場外電場變窄PN+_內電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。I擴散運動漂移運動2021/9/1225（2）PN 結反向偏置+內電場外電場變厚NP+_內電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反向電流。REI0+擴散運動 漂移運動2021/9/1226 2.2.2 PN結的單向導電性 當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (2) PN結加

10、反向電壓時 高電阻 很小的反向漂移電流 在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結的伏安特性2021/9/1227 小結： PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流； PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。2021/9/1228 2.2.2 PN結的單向導電性 (3) PN結V- I 特性表達式其中PN結的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）2021/9/1229 2.2.3

11、PN結的反向擊穿 當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆2021/9/12302.3 半導體二極管 2.3.1 半導體二極管的結構 2.3.2 二極管的伏安特性 2.3.3 二極管的參數2021/9/1231 2.3.1 半導體二極管的結構 在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型 二極管的結構示意圖2021/9/1232(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造

12、藝中。PN 結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4) 二極管的代表符號2021/9/1233半導體二極管圖片2021/9/1234半導體二極管圖片2021/9/1235半導體二極管圖片2021/9/1236 2.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性2021/9/1237 2.3.3 二極管的參數(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR(

13、4) 正向壓降VF(5) 極間電容Cd2021/9/1238 二極管電路分析定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止否則，正向管壓降硅0.60.7V鍺0.20.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通若 V陽 V陰 二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否則， UAB低于6V一個管壓降，為6.3或6.7V例2： 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。 在這里，二極管起箝位作用。 D6V12V3kBAUAB+2021/9/1241例3:電 路 如 圖 所 示，設 二

14、極 管 D1，D2，D3 的 正 向 壓 降 忽 略 不 計，求 輸 出 電 壓 uO。2021/9/1242兩個二極管的陰極接在一起取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優先導通， D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例4:D1承受反向電壓為6 V流過 D2 的電流為求：UAB 在這里， D2 起箝位作用， D1起隔離作用。 BD16V12V3kAD2UAB+應用二、隔離的作用：二極管截止時相當于開路，可用來隔斷電路或信號之間的聯系。2021/9/1243ui 2V