半导体二极管及其基本电路.ppt

模拟电子技术基础北华航天工业学院电子系北华航天工业学院电子系第二章第二章 半导体二极管及其半导体二极管及其 基本电路基本电路 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 2.1.4 杂质半导体杂质半导体2.1.1 2.1.1 半导体材料半导体材料典型的半导体有硅典型的半导体有硅(Si)和锗和锗(Ge)以及以及砷化镓砷化镓(GaAs)。一、导体、绝缘体和半导体一、导体、绝缘体和半导体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。二、半导体的导电特点二、半导体的导电特点:（1）当受到外界温度、光照等环境因素的影）当受到外界温度、光照等环境因素的影响时，其导电能力有明显变化。响时，其导电能力有明显变化。（2）向纯净的半导体中掺入某些杂质，会使）向纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。光敏、热敏特性光敏、热敏特性掺杂特性掺杂特性为什么半导体导电会具有这些特点？为什么半导体导电会具有这些特点？根本原因是由于半导体具有特殊的内部结构根本原因是由于半导体具有特殊的内部结构共价键的晶体结构。共价键的晶体结构。2.1.2 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。常见的半导体材料硅和锗，它们的最外层电子常见的半导体材料硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。（价电子）都是四个。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，在绝对零度（，在绝对零度（0K）和无外界激发的条件）和无外界激发的条件下，束缚电子很难脱离共价键成为下，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此，因此很难导电；常温下纯净半导体中的自由电子也很少，很难导电；常温下纯净半导体中的自由电子也很少，所以此时半导体的导电能力很弱。所以此时半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳最外层电子是八个，构成稳定结构。定结构。共价键有很强的结合力，使共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。2.1.3 本征半导体本征半导体一、本征激发一、本征激发在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为0，相当，相当于绝缘体。于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同，同时共价键上留下一个空位，称为时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子本征激发：由于热激发或光照而产生自由电子和空穴本征激发：由于热激发或光照而产生自由电子和空穴对，这个过程称为本征激发对，这个过程称为本征激发。自由电子和自由电子和空穴统称为空穴统称为载流子。电载流子。电子带负电，子带负电，空穴带正电。空穴带正电。二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空移动，因此可以认为空穴是载流子。穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，的外部因素，这是半导体的一大特点。这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。2.1.4 2.1.4 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。思考：杂质半导体可能有几种类型？思考：杂质半导体可能有几种类型？一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子思考：思考：N 型半导体型半导体中的两种载中的两种载流子数量是流子数量是否相等？否相等？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.由于本征激发产生的电子和空穴对。由于本征激发产生的电子和空穴对。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子自由电子称为多数载流称为多数载流子（子（多子多子），），空穴空穴称为少数载流子（称为少数载流子（少子少子）。）。二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体注：杂质注：杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 四、杂质对半导体导电性的影响四、杂质对半导体导电性的影响 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发 本节中的有关概念本节中的有关概念end自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温度载流子浓度载流子浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力2.2 PN2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 2.2.1 PNPN结的形成结的形成 2.2.2 PN2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2.3 PN2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应2.2.1 PN2.2.1 PN结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过型半导体，经过载流子的运动载流子的运动，在它们的，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。载流子载流子的运动：的运动：扩散运动扩散运动:由于浓度差产生的载流子移动由于浓度差产生的载流子移动漂移运动漂移运动:在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动1 1、浓度差、浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2 2、扩散扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场3 3、内电场、内电场少子的少子的漂移漂移运运动动阻止阻止多子的多子的扩散扩散4 4、扩散与漂移达到动态平衡、扩散与漂移达到动态平衡P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可分成4步。步。(动画动画)内电场内电场 空间空间电荷区电荷区+NP内电场内电场l对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。l在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。PNPN结形成的物理过程：结形成的物理过程：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。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽2.2.2 PN2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才表现单向导电性。扩散与漂移的动态平衡只有在外加电压时才表现单向导电性。扩散与漂移的动态平衡将被打破。将被打破。加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止n1.PN结具有结具有单向导电性单向导电性。n2.加加正向电压正向电压PN结结导通导通 较大的正向电流较大的正向电流 结电阻很低。结电阻很低。n3.加加反向电压反向电压PN 结结截止截止 很小的反向电流漂移很小的反向电流漂移 结电阻很高。结电阻很高。*结论：结论：上述特性可用曲线表示。上述特性可用曲线表示。PN结特性描述：结特性描述：其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 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）1、PN结的伏安特性结的伏安特性2、PN结方程结方程特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一一定的温度条件下，由本征激发决定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的定的少子浓度是一定的陡峭陡峭电阻电阻小正向导通小正向导通正向：正向：反向：反向：近似近似非线性非线性 2.2.3 PN2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PN结的结的反向反向击穿。击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆发生击穿所需要的反向电压发生击穿所需要的反向电压VBR称为反向击穿电压。称为反向击穿电压。2.2.4 PN2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图扩散电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容扩散电容CD本次课小结本次课结束