1、第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.0概述概述1.1半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識1.2PN 結結1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應用晶體二極管的應用教學要求v了解PN結的基本特性。v熟悉晶體二極管的數學模型、曲線模型、簡化電路模型，掌握各種模型的特定及應用場合。v熟悉二極管電路的三種分析方法：圖解法、簡化分析法、小信號分析法。能熟練利用簡化分析法分析各種功能電路。v本章1.4節與1.5節根據教學需要，可作為擴展內容。概概 述述晶體二極管結構及電路符號：晶體二極管結構及電路符號：PN 結正偏結正偏( (P 接接 +、N 接接 -)-)，D 導通。導通

2、。PN正極正極負極負極晶體二極管的主要特性：晶體二極管的主要特性：單方向導電特性單方向導電特性PN 結反偏結反偏( (N 接接 +、P 接接 -)-)，D 截止。截止。即即主要用途：主要用途：用于整流、開關、檢波電路中。用于整流、開關、檢波電路中。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管PositiveNegative1.1半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識v導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如

3、橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。1.1半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識半導體半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：有不同于其它物質的特點。例如： 當受外界熱和光的作用時，它的導電能當受外界熱和光的作用時，它的導電能 力明顯變化。力明顯變化。 往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使往純凈的半導體中摻入某些雜質，會

4、使 它的導電能力明顯改變。它的導電能力明顯改變。1.1半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識半導體：半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。硅硅( (Si) )、鍺、鍺( (Ge) )原子結構及簡化模型：原子結構及簡化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4價電子價電子慣性核慣性核第第 1 章晶體二極管章晶體二極管硅和鍺的單晶稱為硅和鍺的單晶稱為本征半導體本征半導體。它們是制造半導體。它們是制造半導體器件的基本材料。器件的基本材料。現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，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。它

5、們的最外層電子（價電子）都是四個。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價鍵結構示意圖：硅和鍺共價鍵結構示意圖：共價鍵共價鍵1.1.1本征半導體本征半導體第第 1 章晶體二極管章晶體二極管動畫動畫11.1.1本征半導體本征半導體形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。八個，構成穩定結構。+4+4+4+4共價鍵有很強的結合力，使原子共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。規則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下

6、束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以，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。本征半導體的導電能力很弱。v 本征激發本征激發這種現象稱這種現象稱注意：注意：空穴的出現是半導體區別于導體的重要特征。空穴的出現是半導體區別于導體的重要特征。本征激發本征激發。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管動畫動畫2在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發時和沒有外界激發時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有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（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電），它的導電能力

7、為能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。當原子中的價電子激發為自由電子時，原子中留下當原子中的價電子激發為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。空位，同時原子因失去價電子而帶正電。當鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一當鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一種運動，該運動可等效地看作是種運動，該運動可等效地看作是空穴的運動空穴的運

8、動。注意：注意：空穴運動方向與價電子填補方向相反。空穴運動方向與價電子填補方向相反。自由電子自由電子 帶負電帶負電半導體中有兩種導電的半導體中有兩種導電的載流子載流子v 空穴的運動空穴的運動空空 穴穴 帶正電帶正電第第 1 章晶體二極管章晶體二極管溫度一定時：溫度一定時： 激發與復合在某一熱平衡值上達到激發與復合在某一熱平衡值上達到動態平衡。動態平衡。v 熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：熱平衡載流子濃度：本征半導體中本征半導體中本征激發本征激發產生產生自由電子空穴對。自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量電子和空穴相遇釋放能量復合。復合。i23i20epATnkTgE T導電

9、能力導電能力ni或光照或光照熱敏特性熱敏特性光敏特性光敏特性第第 1 章晶體二極管章晶體二極管v N 型半導體：型半導體：1.1.2雜質半導體雜質半導體+4+4+5+4+4簡化模型：簡化模型：N 型半導體型半導體多子多子自由電子自由電子少子少子空穴空穴自由電子自由電子本征半導體中摻入少量本征半導體中摻入少量五價五價元素構成。元素構成。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管N 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，雜質取代，磷原子的最外層有五

10、個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.2.本征半導體中成對產生的電

11、子和空穴。本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流多數載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數載流子少數載流子（少子少子）。）。v P 型半導體型半導體+4+4+3+4+4簡化模型：簡化模型：P 型半導體型半導體少子少子自由電子自由電子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半導體中摻入少量本征半導體中摻入少量三價三價元素構成。元素構成。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管P 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在

12、硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。P 型半導體中空穴是多子，電子是少子型半導體中空穴是多子，電子是少子。雜質半導體的示意表示法雜質半導體的示

13、意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。近似認為多子與雜質濃度相等。v 雜質半導體中載流濃度計算雜質半導體中載流濃度計算N 型半導體型半導體2in0n0npn ( (質量作用定理質量作用定理) )dn0dn0NpNn ( (電中性方程電中性方程) )P 型半導體型半導體2ip0p0nnp ap0ap0NnNp 雜質半導體呈電中性雜質半導體呈電中性少子濃度取決于溫度。少子濃度取決于溫度。多子濃度

14、取決于摻雜濃度。多子濃度取決于摻雜濃度。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.1.3兩種導電機理兩種導電機理漂移和擴散漂移和擴散v漂移與漂移電流漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，漂移運動，所形成的所形成的電流稱電流稱漂移電流。漂移電流。漂移電流密度漂移電流密度EqpJppt EpqJnnt)( 總漂移電流密度：總漂移電流密度：)(nPntptt npEqJJJ 遷移率遷移率第第 1 章晶體二極管章晶體二極管v 半導體的電導率半導體的電導率電壓：電壓： V = E l電流：電流： I = S Jt+ - -V長度長度 l截面積截面積 S電場電場 EI電阻

15、：電阻：SlSJElIVR t電導率：電導率：)(1npt npqEJ 第第 1 章晶體二極管章晶體二極管載流子在濃度差作用下的運動稱載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，擴散運動，所形成所形成的電流稱的電流稱擴散電流。擴散電流。擴散電流密度：擴散電流密度：xxpqDJd)(dppd xxnDqJd)(d)(nnd v 擴散與擴散電流擴散與擴散電流N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)載流子濃度載流子濃度xn0p0第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.2PN 結結利用摻雜工藝，把利用摻雜工藝，把 P 型半導體和型半導體和 N 型半導體在原子型半導體在原子級上緊密結合，級上緊密結合，P 區與區與

16、 N 區的交界面就形成了區的交界面就形成了 PN 結。結。 摻雜摻雜N 型型P 型型PN 結結第第 1 章晶體二極管章晶體二極管P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內電場內電場E漂移運動漂移運動擴散的結果是使空間電擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。荷區越寬。內電場越強，就使漂移內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。間電荷區變薄。空間電荷區，空間電荷區，也稱耗盡層。也稱耗盡層。1.2.1動態平衡下的動態平衡下的 PN 結結阻止多子擴散阻止多子擴散出現內建電場出現內建電場開始因濃度差開始因濃度差產生空間電荷區

17、產生空間電荷區引起多子擴散引起多子擴散利于少子漂移利于少子漂移最終達動態平衡最終達動態平衡注意：注意： PN 結處于動態平衡時，擴散電流與漂移電流結處于動態平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過相抵消，通過 PN 結的電流為零。結的電流為零。 v PN 結形成的物理過程結形成的物理過程第第 1 章晶體二極管章晶體二極管動畫動畫3v 內建電位差：內建電位差：2idaTBlnnNNVV 室溫時室溫時鍺管鍺管 VB 0.2 0.3 V硅管硅管 VB 0.5 0.7 Vv 阻擋層寬度：阻擋層寬度：21dadaB0)2(NNNNVql 注意：注意：摻雜濃度摻雜濃度( (Na、Nd) )越大，內建電位差越

18、大，內建電位差 VB越大，阻越大，阻 擋層寬度擋層寬度 l0 越小。越小。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.2.2PN 結的伏安特性結的伏安特性v PN 結結單向導電特性正偏單向導電特性正偏P+N內建電場內建電場 El0+ -+ -VPN 結結正偏正偏阻擋層變薄阻擋層變薄內建電場減弱內建電場減弱多子擴散多子擴散 少子漂移少子漂移多子擴散形成多子擴散形成較大較大的正向電流的正向電流 IPN 結結導通導通I電壓電壓 V 電流電流 I 第第 1 章晶體二極管章晶體二極管動畫動畫4+REPN 結正向偏置結正向偏置內電場內電場外電場外電場變薄變薄PN+_內電場被削弱，多子內電場被削弱，多子的擴散加強

19、能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。v PN 結結單向導電特性反偏單向導電特性反偏P+N內建內建電場電場 El0- +- +VPN 結結反偏反偏阻擋層變寬阻擋層變寬內建電場增強內建電場增強少子漂移少子漂移多子擴散多子擴散少子漂移形成少子漂移形成微小微小的反向電流的反向電流 IRPN 結結截止截止IRIR 與與 V 近似無關。近似無關。溫度溫度 T 電流電流 IR結論：結論：PN 結具有單方向導電特性結具有單方向導電特性第第 1 章晶體二極管章晶體二極管動畫動畫5PN 結反向偏置結反向偏置+內電場內電場外電場外電場變厚變厚NP+_內電場被被加強，多子內電場被被加強，多子的擴

20、散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數量有移加強，但少子數量有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。REv PN 結結伏安特性方程式伏安特性方程式PN 結正、反向特性，可用理想的結正、反向特性，可用理想的指數函數指數函數來描述：來描述： )1e (TS VVIIqkTV T熱電壓熱電壓 26 mV( (室溫室溫) )其中：其中：IS 為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關，但為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關，但受溫度影響很大。受溫度影響很大。正偏時：正偏時： TeSVVII 反偏時：反偏時： SII 第第 1 章晶體二極管章晶體二極管v PN 結結伏安特性

21、曲線伏安特性曲線IDVVD(on)- -ISSiGeVD(on) = 0.7 VIS = (10-9 10-16) A硅硅 PN 結結VD(on)= 0.25 V鍺鍺 PN 結結IS = (10-6 10-8) AV VD(on)時時 隨著隨著V 正向正向R 很小很小 I PN 結結導通導通；V 6 V) ) 形成原因：形成原因： 碰撞電離碰撞電離V(BR)IDV形成原因：形成原因：場致激發場致激發 發生條件發生條件PN 結摻雜濃度較高結摻雜濃度較高( (l0 較窄較窄) )外加反向電壓較小外加反向電壓較小( ( 6 V) )第第 1 章晶體二極管章晶體二極管O因為因為 T 載流子運動的平均自

22、由路程載流子運動的平均自由路程 V(BR) v 擊穿電壓的溫度特性擊穿電壓的溫度特性u 雪崩擊穿電壓具有正溫度系數雪崩擊穿電壓具有正溫度系數u 齊納擊穿電壓具有負溫度系數齊納擊穿電壓具有負溫度系數因為因為 T 價電子獲得的能量價電子獲得的能量 V(BR) v 穩壓二極管穩壓二極管u 利用利用 PN 結的反向擊穿特結的反向擊穿特性，可性，可制成穩壓二極管制成穩壓二極管u 要求：要求：IZmin IZ CD ，則，則 Cj CT PN 結總電容：結總電容： Cj = CT + CDu PN 結正偏時，結正偏時，CD CT ，則，則 Cj CD故：故：PN 結正偏時，以結正偏時，以 CD 為主。為主

23、。 故：故：PN 結結反偏時，以反偏時，以 CT 為主。為主。通常：通常：CD 幾十幾十 pF 幾千幾千 pF。通常：通常：CT 幾幾 pF 幾十幾十 pF。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內部結構就是一個晶體二極管的內部結構就是一個 PN 結。就其結。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：不同形式的模型：u 便于計算機輔助分析的便于計算機輔助分析的數學模型數學模型u 適于任一工作狀態的適于任一工作狀態的通用曲線模型通用曲線模型直流簡化電路模型直流簡化電路模型交

24、流小信號電路模型交流小信號電路模型u 電路分析時采用的電路分析時采用的第第 1 章晶體二極管章晶體二極管1.3.1晶體二極管的模型晶體二極管的模型v數學模型數學模型伏安特性方程式伏安特性方程式)1e (TS VVII理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：)1e (TSS nVIrVII其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I 正常時：正常時：n 1I 過小或過大時：過小或過大時：n 2rS 體電阻體電阻 + 引線接觸電阻引線接觸電阻 + 引線電阻引線電阻注意：注意：考慮到阻擋層內產生的自由電子空穴對及表面考慮到阻擋層內產生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實際漏電流的影響，實際 IS 理

25、想理想 IS。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管v曲線模型曲線模型伏安特性曲線伏安特性曲線V(BR)I /mAV/VVD(on) IS當當 V VD(on) 時時 二極管二極管導通導通當當 V 0，則管子導通；反之截止，則管子導通；反之截止實際二極管：若實際二極管：若 V VD(on)，管子導通；反之截止，管子導通；反之截止n當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子 優先導通，其余管子需重新分析其工作狀態。優先導通，其余管子需重新分析其工作狀態。第第 1 章晶體二極管章晶體二極管例例 2設二極管是理想的，求設二極管是理想的，求 VAO 值。值。圖

26、圖( (a) )，假設，假設 D 開路，則開路，則 D 兩端電壓：兩端電壓： VD = V1 V2 = ( 6 12)V = 18 V 0 V， VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。 由于由于 VD2 VD1 ，則，則 D2 優先導通優先導通。此時此時 VD1 = 6 V 2 V 時，時，D 導通，則導通，則 vO = vivi 2 V 時，時，D 截止，則截止，則 vO = 2 V由此可畫出由此可畫出 vO 的波形的波形+-DV+-+-2 V100 Rvo ovit62OVi/VVo o/VtO26第第 1 章晶體二極管章晶體二極管v 小信號分析法小信號分析法 即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流的變化量。得到的小信號等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步