模拟电子技术 -范立南 第1章 半导体二极管及其电路分析.ppt

模拟电子技术第1章 半导体二极管及其电路分析 范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。 本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流 子。 本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少 数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成 为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为 空穴。如图1-2所示。 本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。 本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量 相等。 本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。 复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填补 空穴，使自由电子和空穴成对消失。 在一定温度下，自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平 衡。 1.2 杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电 性能会得到改善。 按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。 N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等 P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等 1.2.1 N型半导体 在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质 半导体为N型半导体，如图1-3所示。 N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 空穴载流子是本征激发产生的。 自由电子载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， N型半导体的多子：自由电子 N型半导体的少子：空穴 1.2.2 P型半导体 在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质 半导体为P型半导体，如图1-4所示。 P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子载流子是本征激发产生的。 空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， P型半导体的多子：空穴 P型半导体的少子：自由电子 1.3 PN结1.3.1 PN结的形成 利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同 一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就 形成了PN结。 PN结的形成过程如图1-5： 1.3.2 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较 大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较 小的反向电流流过。 所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区 接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。 1.3.3 PN结的伏安特性 所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区 接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。 PN结两端所加电压与流过该PN结的电流之间的关系为： PN结的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的 反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的 反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击 穿两种。 1.3.4 PN结的电容效应 PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩 散电容。 PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。 1.4 半导体二极管 半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引 线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、 结构、符号如图1-9所示。 按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二 极管等。 按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面 型二极管。 按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管 等。 按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二 极管。 1.4.1 二极管的伏安特性及主要参数 1．二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向 特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大， 温度每增加10℃，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管 的正向压降将减小，温度每增加1℃，正向压降将减小 2~2.5mV。 2．二极管的主要参数 （1）最大整流电流：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。 （2）最大反向工作电压：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿