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3 半导体二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识 二、半导体的共价键结构 三、本征半导体及导电性能 3、杂质半导体 N型半导体 3.2 PN结的形成及特性 二、PN结的导电特性 反向特性 PN结的伏安特性 PN结的反向击穿特性 3.3 半导体二极管 2、二极管的V－I特性 3、二极管的主要参数 3.4 二极管基本电路及分析方法 3、恒压降模型 4、折线模型 5、小信号模型 二、二极管电路的分析方法 交流信号的图解 2、工程近似法 2）限幅电路 3）开关电路 3.5 特殊二极管 稳压管的主要参数 简单稳压电路 * 半导体的基本知识 半导体器件的核心——PN结 半导体二极管 根据导电能力(电阻率)的不同，物体可以划分为导体、绝缘体和半导体。 一、半导体材料 （1）热敏特性：温度升高导电能力显著增强。 （2）光敏特性：光线照射导电能力显著增强。 （3）掺杂特性：在本征半导体中掺入少量的有用的 杂质，导电能力显著增强。 半导体导电性能具有多变特性 原子核 价电子 外层电子轨道 ＋14 硅原子结构 ＋4 除去价电子后的原子 价电子 硅晶体的 空间排列 共价键结构 平面示意图 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 ——化学成分纯净的半导体晶体 本征半导体 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可挣脱原子核的束缚，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了一个空位，原子的电中性被破坏，呈正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发 自由 电子 空穴 ● 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。显然空穴的导电能力不如自由电子 相邻共价键中的价电子获得能量填充空穴，在新位置产生空穴，形成电荷迁移 区别：导体只有一种载流子即自由电子 1.本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等 2. 本征半导体中载流子的浓度与环境温度有关 温度T 3. 导电能力仍不如导体 导电能力增强 载流子的浓度 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。 P型半导体 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；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。三价杂质称为受主杂质。 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体。 在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质 一、PN结的形成 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，产生漂移电流 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→ PN结。 在半导体中，若载流子浓度分布不均匀，因为存在浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动，产生扩散电流 内电场 多子扩散 形成空间电荷区 产生内电场 阻止 少子漂移 促使 扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结 PN结：空间电荷区、耗尽层、阻挡层、势垒区 正向特性 PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位） 内电场 外电场 变薄 － － － － + + + + P N + _ 内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。 →正偏→正向电流 正偏时，PN结导通，呈现为一个小电阻 ＊ 硅PN结的Is为 pA级 ＊ 温度T增加→Is增大 内电场 外电场 PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。 N P + － + 变厚 _ － － － + + + － + － － － + + + 内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的电流。 反偏时，PN结呈现为一个大电阻 →反偏→反向电流 单向导电性 PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止 正偏 反偏 PN结所加端电压vD与流过它的电流I的关系为： 门坎电压 Vth 死区