模拟电子技术 3 半导体二极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基本要求,1、,掌握二极管的结构特点、伏安特性和参数（,含义、常见值,）,2、掌握双极结型三极管BJT的结构，工作原理（栅间电流,分配），放大作用和开关特性。,3、掌握场效应管的结构，工作原理，放大作用和开关特性。,参见：模电书,3章,半导体二极管,1,一、半导体的特性,根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体有,硅Si,和,锗Ge,以及,砷化镓GaAs,等。,3.1,半导体的基本知识,1.导电能力：介于导体、绝缘体之间。,2.光敏性、热敏性：,0K时不导电，随着温度、光照增加，导电能力增强。,3掺杂性：,在纯净的半导体中掺入少量杂质，导电能力显著增强。,2,二、本征半导体、空穴及其导电作用,1.原子结构：,以Si,Ge为例,本征半导体,化学成分纯净、没掺入杂质的半导体。物理结构上呈单晶体形态。,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为,价电子,Si,Ge,3,2.共价键,（晶体结构）,共价键结构平面示意图,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,，T=0K=-273C时束缚电子能量不足以脱离共价键成为,自由电子,，相当于绝缘体。,4,3.本征激发（热激发）,当温度升高（例如,室温,）或受到光的照射时，价电子能量增高，有的,价电子,可以,挣脱共价键的束缚,，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现一个空位，称这个空位为,空穴,。,这一现象称为,本征激发,，也称,热激发,本征激发而出现的自由电子和空穴是成对出现的，称为,电子空穴对。,5,束缚电子从,视为空穴从,半导体中出现两种载流子,自由电子,空穴,电量相等，极性相反，,同时参与导电,空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！,空穴导电：,空穴的移动,是靠共价健中束缚电子的移动来实现的。,因此说，,空穴,（与自由电子相同）,也是一种载流子,。,6,三、杂质半导体,在本征半导体中掺入微量的杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的半导体称为,杂质半导体,。,N型(电子)半导体,掺入五价杂质元素(如磷P),P型(空穴)半导体,掺入三价杂质元素(如硼B),7,五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而,多余的,一个价电子因无共价键束缚而容易形成,自由电子,。,在N型半导体中,自由电子是多数载流子,（多子),，它主要由杂质原子提供；,空穴是少数载流子,（少子）,由本征激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为,正离子,，故称为,施主杂质,。,1.N型半导体,主要依靠自由电子导电!,8,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，,缺少,一个价电子而在共价键中留下一个,空穴,。,在P型半导体中,空穴是多数载流子，,它主要由掺杂形成；,自由电子是少数载流子,，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子,。因而三价杂质也称为,受主杂质,。,2.P型半导体,空穴,主要依靠空穴导电!,9,掺杂对半导体的导电性能有很大的影响。,T,=300 K室温下,本征,Si,的电子和空穴浓度:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,1,多子浓度,少子浓度,2,掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:,n=,510,16,/cm,3,3.掺杂对半导体导电性影响的数据,又,在杂质半导体中，多子的浓度取决于杂质浓度；而少子的浓度取决于温度。,说明：,杂质半导体,导电能力主要由掺杂决定,10,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动：,由电场作用引起的载流子的运动称为,漂移运动,。,扩散运动：,由载流子浓度差引起的载流子的运动称为,扩散运动,。,3.2 PN,结的形成及特性,11,3.2.2 PN结的形成,在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,N,型半导体和,P,型半导体。,12,因浓度差,促使少子漂移,阻止多子扩散,正负离子不移动,形成无载流子的空间电荷区，所以PN结也称,耗尽层、势垒层,。（很薄，几微米,几十微米）,多子的,扩散,=少子的,漂移,即达到,动态平衡,稳定的,空间电荷区,称为,PN结,由,杂质正负离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,0,方向,多子的扩散运动,13,3.2.3 PN结的单向导电性,(1)PN结加正向电压,(正偏),当外加电压使PN结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,；反之称为加,反向电压,，简称,反偏,。,外电场,E,与内电场,0,方向相反,削弱内电场使势垒区变窄,有利于多子扩散不利于少子漂移,最后形成较大的正向电流,14,(2)PN 结加反向电压,(反偏),外电场,E,与内电场,0,方向一致,加强了内电场，使势垒区变宽,阻碍多子扩散,有利于少子漂移,最后形成很小的反向漂移电流（A级）,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大小无关，,这个电流称为,反向饱和电流,I,S,。,15,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流。PN结呈现低电阻，导通。,PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。PN结呈现高电阻，截止。,由此可以得出结论：,PN结具有单向导电性。,16,(3)PN结,V,-,I,特性表达式,其中,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K）,PN结的伏安特性,17,(3)PN结,V,-,I,特性表达式,PN结的伏安特性,当,V,D,为正且V,D,V,T,时,当,V,D,为负且V,D,V,T,18,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,(1)点接触型二极管,(a),点接触型,3.3 半导体二极管,3.3.1 二极管的结构,二极管按结构分有：,点接触型、面接触型和平面型,P,N,A,K,PN结面积小，不适用于整流；结电容小，用于检波和变频等高频电路。,r,C,图 2.3.5,19,(3)平面型二极管,往往用于集成电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，宜用于整流；结电容也大，不宜用于高频电路。,(b)面接触型,(c)平面型,(4)二极管的代表符号,D,光刻窗口,扩散而成,20,Si,二极管的死区电压,V,th,=0.5 V,左右，,Ge,二极管的死区电压,V,th,=0.1 V,左右。,当,0,V,D,V,th,时，外电场不足以克服PN结的内电场，,正向电流为零，,V,th,称为,死区,或,开启电压,当,V,D,0,即处于正向特性区域，正向区又分为两段：,ii),当,V,D,V,th,时，内电场大为削弱，,开始出现正向电流，并按指数规律增长。,V,th,3.3.2 二极管的,V,-,I,特性,(1)正向特性,D,D,与PN结伏安特性基本相同,21,Si,二极管的饱和电流,Is,V,th,二极管导通，导通后 V,D,=V,th,V,D,V,th,?,是:D导通,否:D截止,对于理想D，只要,V,阳,V,阴,是,导通且,箝位,，,否则截止,导通后即箝位,将D断开,26,(3)关于优先导通,(V,阳,V,阴,),大的二极管优先导通且箝位,D,2,:,V,阳2,V,阴2,=6,v,-(-3,v,)=9,v,D,1,:,V,阳1,V,阴1,=0,v,-(-3,v,)=3,v,D,2,优先导通,且,箝位,(短路),V,AO,=,6,v，,D,1,受反压截止,例:,?,27,(1)整流(半波、全波),利用D的单向导电性,半波导通,t,V,V,i,V,O,V,i,Vo,(2)限幅(削波),单向削波,t,V,二极管应用举例,28,(3)低压稳压,V,D,=V,th,V,o,(4),开关作用,（二极管可在数字电路中做数字开关）,D导通:开关闭和,D截止:开关断开,没有稳压值 3V的稳压管，同时稳压管输出稳压值过低，效果不理想,要得到3V的稳压值，通常利用,把几个二极管串联,的方法。,29,3.5 特殊二极管,1.稳压二极管（齐纳二极管）稳定直流电压，工作于反向击穿状态,2.变容二极管：结电容随U,反,而,显著,用于高频电路中,3,.,光电二极管,4.发光二极管,5.激光二极管,光信号电信号，反向电流光照度,用于光度测量、光电耦合电路接收端,电信号光信号，发光亮度正向导通电流，用于显示、光电耦合电路发送端,6.肖特基二极管,30,（a）符号 （b）正向,V,-,I,特性,31,光电传输系统,光信号传输损耗小，抗干扰能力强。,32,稳压管,是特殊的面接触型半导体硅二极管,工作在,反向击穿状态,（齐纳击穿）。其反向击穿是,可逆的,且反向电压较稳定,（V-I特性较陡）,。,稳压二极管（齐纳二极管）,R:限流电阻,限制流经稳压管的反向电流,防止稳压管进入,热击穿,。,配合稳压管稳压,I,Zmax,V,BR,(V,Z,),I,Z,I,V,I,Zmin,33,练习1,V,A,=1V,V,B,=3.5V,10K,140K,18K,2K,25K,5K,A,B,15V,10V,+,-,D,D承受反偏而截止,先假设D断开,34,练习2,电路如图所示，已知,u,i,5sin,t,(V)，二极管导通电压,U,D,0.7V。试画出,u,i,与,u,O,的波形，并标出幅值。,35,练习3,写出下列各图所示电路的输出电压值，设二极管导通电压,U,D,0.7V。,解：,U,O1,1.3V，,U,O2,0V，,U,O3,1.3V，,U,O4,2V，,U,O5,1.3V，,U,O6,2V。,36,作业,3.4.5、3.4.6(b)、(c),3.4.2,37,