第 1章 晶体二极管及其基本电路
1―1 半导体物理基础知识
1―2 PN结及晶体二极管
1―3 晶体二极管及其基本电路
1― 1 半导体物理基础知识本征半导体原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵 (称为晶格 )。
由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，
依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。
＋ 4
共价键价电子
＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
图 1―2 单晶硅和锗的共价键结构示意图半导体中的载流子 ——自由电子和空穴在绝对零度 (-273℃ )时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。
其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图
1―3 所示。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
自由电子空穴图 1― 3本征激发产生电子和空穴在本征半导体中，由于热激发，不断地产生电子、
空穴对，使载流子浓度增加。
本征激发复合由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴。
本征载流子浓度
kTEii GeTApn 2/2/30 0
式中 ni,pi分别表示电子和空穴的浓度 (cm–3 )； T为热力学温度 (K)； EG0为 T=0K时的禁带宽度 (硅为 1.21eV,锗为 0.78eV)； k为玻尔兹曼常数 (8.63× 10–6 V/K)； A0是与半导体材料有关的常数
(硅为 3.87× 1016cm-3·K-3/2,锗为 1.76× 1016cm-3·K-3/2)。
在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为杂质半导体在本征半导体中,有选择地掺入少量其它元素,会使其导电性能发生显著变化 。 这些少量元素统称为杂质 。 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 。 根据掺入的杂质不同,有 N型半导体和 P型半导体两种 。
N型半导体在本征硅 (或锗 )中掺入少量的五价元素,如磷,砷,锑等,就得到 N型半导体 。 这时,杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键,而多出一个价电子只能位于共价键之外,如图 1― 4所示 。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 5＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
键外电子施主原子图 1―4 N型半导体原子结构示意图
P型半导体在本征硅 (或锗 )中掺入少量的三价元素,如硼,铝,铟等,就得到 P型半导体 。 这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时,只有三个共价键是完整的,第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位,如图 1--5所示 。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 3＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
空位受主原子图 1―5 P型半导体原子结构示意图杂质半导体的载流子浓度杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值 ni
的平方。即对 N型半导体，多子 nn与少子 pn
有
A
i
p
i
p
ipp
D
i
n
i
n
inn
N
n
p
n
n
nnp
N
n
n
n
p
npn
22
2
22
2
对 P型半导体，多子 pp与少子 np有
(1―2 a)
(1― 2b)
(1―3 a)
(1―3 b)
半导体中的电流在半导体中有两种电流 。
一,漂移电流在电场作用下,半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流,称为漂移电流 。 它类似于金属导体中的传导电流 。
半导体中有两种载流子 ——电子和空穴,
当外加电场时,电子逆电场方向作定向运动,
形成电子电流 In,而空穴顺电场方向作定向运动,形成空穴电流 Ip 。 虽然它们运动的方向相反,但是电子带负电,其电流方向与运动方向相反,所以 In和 Ip的方向是一致的,均为空穴流动的方向 。 因此,半导体中的总电流为两者之和,即
I=In+Ip
漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。
二,
在半导体中,因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时,载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动,
从而形成扩散电流 。
半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差 (即浓度梯度 )。 浓度差越大,扩散电流越大,而与该处的浓度值无关 。 反映在浓度分布曲线上 (见图 1―6),即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率 dn(x)/dx(dp(x)/dx)。
x0
x0
n ( 0 )
n ( x )[ p ( x )]
n
0
图 1―6 半导体中载流子的浓度分布
1―2 PN结及晶体二极管通过掺杂工艺,把本征硅 (或锗 )片的一边做成 P型半导体,另一边做成 N型半导体,
这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层,称为 PN结 。 PN结是构造半导体器件的基本单元 。 其中,最简单的晶体二极管就是由 PN结构成的 。 因此,
讨论 PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性 。
1―2―1 PN结的形成
P型半导体和 N型半导体有机地结合在一起时,因为 P区一侧空穴多,N区一侧电子多,所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差 。 于是 P区中的空穴会向 N区扩散,并在 N区被电子复合 。 而
N区中的电子也会向 P区扩散,并在 P区被空穴复合 。 这样在 P区和 N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子 。
上述过程如图 1―7(a)所示 。 结果在界面的两侧形成了由等量正,负离子组成的空间电荷区,如图 1―7(b)所示 。
P
( a )
N P
( b )
N
空间电荷区内电场
U
B
图 1― 7PN
由于空间电荷区内没有载流子,所以空间电荷区也称为 耗尽区 (层 )。 又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用,好像壁垒一样,所以又称它为 阻挡区或势垒区 。
实际中,如果 P区和 N区的掺杂浓度相同,
则耗尽区相对界面对称,称为对称结,见图
1―7(b)。 如果一边掺杂浓度大 (重掺杂 ),一边掺杂浓度小 (轻掺杂 ),则称为不对称结,用
P+N或 PN+表示 (+号表示重掺杂区 )。 这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边,如图 1--8(a),(b)所示 。
NP
＋
耗尽区
( a )
P N
＋
耗尽区
( b )
图 1―8 不对称 PN结
1―2―2 PN
一,PN
使 P区电位高于 N区电位的接法,称
PN结加正向电压或正向偏置 (简称正偏 )，
如图 1--9所耗尽区内电场
U
U
B
－ U
＋ －
R
E
图 1―9 正向偏置的 PN结二,PN结加反向电压使 P区电位低于 N区电位的接法,称 PN
结加反向电压或反向偏置 (简称反偏 )。 由于反向电压与 UB的极性一致,因而耗尽区两端的电位差变为 UB+U,如图 1― 10所示 。
耗尽区内电场
U
U
B
＋ U
R
E
＋－
图 1― 10反向偏置的 PN结三,PN
理论分析证明,流过 PN结的电流 i与外加电压
u之间的关系为
i=IS(equ/kT-1)= (1― 4)
式中,IS为反向饱和电流,其大小与 PN结的材料,制作工艺,温度等有关； UT=kT/q,称为温度的电压当量或热电压 。 在 T=300K(室温 )时,
UT =26mV。 这是一个今后常用的参数 。
)1( /?TUuS eI
由式 (1― 4)可知,加正向电压时,u只要大于 UT
几倍以上,i≈ Iseu/U-T,即 i随 u呈指数规律变化；加反向电压时,|u|只要大于 UT几倍以上,
则 i≈― IS(负号表示与正向参考电流方向相反 )。
因此,式 (1― 4)的结果与上述的结论完全一致 。
由式 (1― 4)可画出 PN结的伏安特性曲线,如图
1― 11所示 。 图中还画出了反向电压大到一定值时,反向电流突然增大的情况 。
1―2―3 PN
由图 1―11看出,当反向电压超过
UBR后稍有增加时,反向电流会急剧增大,
这种现象称为 PN结击穿,并定义 UBR为
PN结的击穿电压 。 PN结发生反向击穿的机理可以分为两种 。
u
i
0
T
T
－ U
BR
图 1―11 PN结的伏安特性一,
在轻掺杂的 PN结中,当外加反向电压时,耗尽区较宽,少子漂移通过耗尽区时被加速,动能增大 。 当反向电压大到一定值时,在耗尽区内被加速而获得高能的少子,会与中性原子的价电子相碰撞,将其撞出共价键,产生电子,
空穴对 。 新产生的电子,空穴被强电场加速后,又会撞出新的电子,空穴对 。
二,
在重掺杂的 PN结中,耗尽区很窄,
所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场 。 当反向电压大到一定值时,强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键,产生大量电子,
空穴对,使反向电流急剧增大 。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿 。
说,对硅材料的 PN结,UBR>7V时为雪崩击穿； UBR <5V时为齐纳击穿； UBR介于
5~7V时,两种击穿都有 。
1―2―4PN结的电容特性
PN结具有电容效应,它由势垒电容和扩散电容两部分组成 。
一,势垒电容从 PN结的结构看,在导电性能较好的 P
区和 N区之间,夹着一层高阻的耗尽区,这与平板电容器相似 。 当外加电压增大时,多子被推向耗尽区,使正,负离子减少,相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时,多子被推离耗尽区,使正,负离子增多,相当于存贮的电荷量增加 。
因此,耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变 。 这一特性正是电容效应,
并称为势垒电容,用 CT表示 。 经推导,CT可表示为
n
B
T
T
U
u
C
du
dQ
C
)1(
0
(1―5)
式中,CT0为外加电压 u=0时的 CT值,它由 PN结的结构,掺杂浓度等决定； UB为内建电位差； n为变容指数,与 PN结的制作工艺有关,一般在 1/3~6之间 。
二,
正向偏置的 PN结,由于多子扩散,
会形成一种特殊形式的电容效应 。 下面利用图 1--12中 P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明 。
N
区耗尽区
P 区
x
0
x0
L
n
n
p0
②
①
Δ Q
n
n
p
( 0 )
n
p
图 1―12 P区少子浓度分布曲线同理,在 N区一侧,非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化,引起存贮电荷的增加量 ΔQp。 这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性,就是电容效应,称为扩散电容,用 CD表示 。
如果引起 ΔQn,Δ Qp的电压变化量为 Δu，
则
T
nn
D
pn
D
U
I
u
Q
C
u
Q
u
Q
u
Q
C
(1―6)
对 PN+结,可以忽略 ΔQp/Δu项 。 经理论分析可得
1―2―5 PN
PN结特性对温度变化很敏感,反映在伏安特性上即为：温度升高,正向特性左移,反向特性下移,如图 1―11中虚线所示 。 具体变化规律是：保持正向电流不变时,温度每升高
1℃,结电压减小约 2~2.5mV,即
Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃
(1―7)
温度每升高 10℃,反向饱和电流 IS增大一倍 。 如果温度为 T1时,IS =IS1； 温度为 T2时,
IS =IS2,则
10/)(12 122 TTSS II
(1― 8)
u
i
0
T
T
－ U
BR
图 1―11 PN结的伏安特性
1―3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管是由 PN结加上电极引线和管壳构成的,其结构示意图和电路符号分别如图 1--13(a),(b)所示 。 符号中,接到 P型区的引线称为正极 (或阳极 )，
接到 N型区的引线称为负极 (或阴极 )。
利用 PN结的特性,可以制作多种不同功能的晶体二极管,例如普通二极管,稳压二极管,变容二极管,光电二极管等 。 其中,具有单向导电特性的普通二极管应用最广 。 本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路 。 另外,简要介绍稳压二极管及其稳压电路 。
P N
正极 负极
( a )
负极正极
( b )
图 1― 13 晶体二极管结构示意图及电路符号
(a)结构示意图； (b)电路符号
1―3―1二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特性曲线如图 1―14所示 。 实际二极管由于引线的接触电阻,P区和 N区体电阻以及表面漏电流等影响,其伏安特性与 PN结的伏安特性略有差异 。 由图可以看出,实际二极管的伏安特性有如下特点 。
u / V
0
i / mA
10
20
30
－ 5
－ 10
( μA )
－ 0,5
0,5
图 1―14
1―3―1二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特性曲线如图 1―14所示 。 实际二极管由于引线的接触电阻,P区和 N区体电阻以及表面漏电流等影响,其伏安特性与 PN结的伏安特性略有差异 。 由图可以看出,实际二极管的伏安特性有如下特点 。
一,正向特性正向电压只有超过某一数值时,
才有明显的正向电流 。 这一电压称为导通电压或死区电压,用 UD(on)表示 。 室温下,硅管的 UD(on) =(0.5~0.6)V,锗管的
UD(on) =(0.1~0.2)V。
正向特性在小电流时,呈现出指数变化规律,电流较大以后近似按直线上升 。 这是因为大电流时,P区,N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了,使电流,电压近似呈线性关系 。
二,反向特性由于表面漏电流影响,二极管的反向电流要比理想 PN结的 IS大得多 。 而且反向电压加大时,反向电流也略有增大 。 尽管如此,对于小功率二极管,其反向电流仍很小,硅管一般小于 0.1μA，
锗管小于几十微安 。
两极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响，均与 PN结相同。
1―3―2 二极管的主要参数器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据,是我们合理选择和正确使用器件的依据 。 参数一般可以从产品手册中查到,也可以通过直接测量得到 。 下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义 。
一,直流电阻 RD
RD定义为：二极管两端所加直流电压 UD与流过它的直流电流 ID之比,即
RD不是恒定值,正向的 RD随工作电流增大而减小,反向的 RD随反向电压增 大 而 增 大 。 RD 的 几 何 意 义 见 图
1―15(a),即 Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数 。 显然,图中 Q1点处的 RD小于 Q2
点处的 RD 。
D
D
D I
UR? (1― 9)
0 U
D
u
I
D
u
( a )
i
Q
1
Q
2
0 u
( b )
i
Q
Δ i
图 1― 15
(a)直流电阻 RD； (b)交流电阻 rD
二,交流电阻 rD
rD定义为：二极管在其工作状态
(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比,即
DQDQDQDQ UIUID di
du
I
Ur
,,
(1― 10)
rD的几何意义见图 1― 15(b),即二极管伏安特性曲线上 Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数 。
rD可以通过对式 (1― 4)求导得出,即
DQ
T
QUu
S
T
QD I
U
eI
U
di
dur
T
/
(1―11)
可见 rD与工作电流 IDQ成反比,并与温度有关 。 室温条件下 (T=300K):
通过对二极管交,直流电阻的分析可知,由于二极管的非线性伏安特性,
所以交,直流电阻均是非线性电阻,即特性曲线上不同点处的交,直流电阻不同,同一点处交流和直流电阻也不相同 。
)(
)(26
mI
mr
DQ
D
(1―12)
三,最大整流电流 IF
IF指二极管允许通过的最大正向平均电流 。 实际应用时,流过二极管的平均电流不能超过此值 。
四,最大反向工作电压 URM
URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压,超过此值容易发生反向击穿 。 通常取 UBR的一半作为 URM 。
五,反向电流 IR
IR指二极管未击穿时的反向电流 。 IR越小,单向导电性能越好 。 IR与温度密切相关,
使用时应注意 IR的温度条件 。
六,最高工作频率 fM
fM是与结电容有关的参数 。 工作频率超过 fM时,二极管的单向导电性能变坏 。
需要指出,由于器件参数分散性较大,
手册中给出的一般为典型值；必要时应通过实际测量得到准确值 。 另外,应注意参数的测试条件,当运用条件不同时,应考虑其影响 。
1―3―3晶体二极管模型依据二极管的实际工作条件,引出工程上便于分析的二极管模型 。
u
i
0C U
D (o n )
BB
0
A
1
A
2
( a ) ( b )
1 2
U
D (o n )
r
D (o n )
U ≥ U
D (o n )
U ＜ U
D (o n )
图 1― 16二极管特性的折线近似及电路模型图 1― 16二极管特性的折线近似及电路模型
( c )
1 2
U
D (o n )
U ≥ U
D (o n )
U ＜ U
D (o n )
( d )
1 2
U ≥ 0U ＜ 0
1―3―4
利用二极管的单向导电特性,可实现整流,限幅及电平选择等功能 。
一,
把交流电变为直流电,称为整流 。 一个简单的二极管半波整流电路如图 1―17(a)所示 。
若二极管为理想二极管,当输入一正弦波时,
由图可知：正半周时,二极管导通 (相当开关闭合 ),uo=ui； 负半周时,二极管截止 (相当开关打开 ),uo =0。 其输入,输出波形见图
1―17(b)。 整流电路可用于信号检测,也是直流电源的一个组成部分 。
t
t
u
o
0
u
i
0
( b )
V
u
i
＋
－
u
o
＋
－
R
L
( a )
图 1― 17
(a)电路； (b)输入、输出波形关系二,二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路,它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路,常用于波形变换和整形 。 限幅电路的传输特性如图 1―18所示,
u
i
0
U
IL
u
o
U
o m ax
U
o m i n
U
IH
图 1― 18 限幅电路的传输特性
t
V
u
i
＋
－
u
o
＋
－
R
( a )
E
2V
u
i
/ V
0
( b )
5
－ 5
t
u
o
/ V
0
－ 5
2,7
图 1― 19
(a)电路； (b)输入,输出波形关系三,
从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路,称为电平选择电路 。
一种二极管低电平选择电路如图 1―20(a)
所示 。 设两路输入信号 u1,u2均小于 E。
表面上看似乎 V1,V2都能导通,但实际上若 u1 < u2,则 V1导通后将把 uo限制在低电平 u1上,使 V2截止 。 反之,若 u2 < u1,
则 V2导通,使 V1截止 。 只有当
u1 = u2时,V1,V2才能都导通 。
可见,该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号 。 图 1―20(b)画出了当 u1,u2为方波时,输出端选出的低电平波形 。 如果把高于 2.3V的电平当作高电平,并作为逻辑 1,把低于 0.7V的电平当作低电平,并作为逻辑 0,由图
1―20(b)可知,输出与输入之间是逻辑与的关系 。 因此,当输入为数字量时,
该电路也称为与门电路 。
V
1
u
1
＋
－
u
o
( a )
V
2
E
R
u
2
t
t
t
( b )
u
o
/ V
0
3,7
u
1
/ V
3
0
u
2
/ V
3
0
0,7
图 1― 20
(a)电路； (b)输入,输出波形关系将图 1―20(a)电路中的 V1,V2反接,
将 E改为负值,则变为高电平选择电路 。
如果输入也为数字量,则该电路就变为或门电路 (见习题 1―8)。
1―3―5稳压二极管及稳压电路稳压二极管是利用 PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管,其除了可以构成限幅电路之外,主要用于稳压电路 。
一,
稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图 1―21所示 。 由图可见,它的正,反向特性与普通二极管基本相同 。 区别仅在于击穿后,
特性曲线更加陡峭,即电流在很大范围内变化时 (IZmin<I<IZmax),其两端电压几乎不变 。
u
i
0
T
T
－ U
BR
Umin
Umax
这表明,稳压二极管反向击穿后,
能通过调整自身电流实现稳压 。
稳压二极管击穿后,电流急剧增大,使管耗相应增大 。 因此必须对击穿后的电流加以限制,以保证稳压二极管的安全 。
二,
1.稳定电压 UZ
UZ是指击穿后在电流为规定值时,
管子两端的电压值 。 由于制作工艺的原因,即使同型号的稳压二极管,UZ的分散性也较大 。 使用时可通过测量确定其准确值 。
2 PZ
PZ是由管子结温限制所限定的参数 。 PZ与 PN结所用的材料,结构及工艺有关,使用时不允许超过此值 。
3 IZ
IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流 。 工作电流小于此值时,稳压效果差,大于此值时,稳压效果好 。 稳定电流的最大值 IZmax 有 一 限 制,即 IZmax
=PZ/UZ。 工作电流不允许超过此值,否则会烧坏管子 。 另外,工作电流也有最小值 IZmax的限制,小于此值时,稳压二极管将失去稳压作用 。
4 动态电阻 rZ
rZ是稳压二极管在击穿状态下,
两端电压变化量与其电流变化量的比值 。
反映在特性曲线上,是工作点处切线斜率的倒数 。 rZ随工作电流增大而减小 。
rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆 。
5 温度系数 α
α是反映稳定电压值受温度影响的参数,用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示 。
三,稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图 1―22所示 。 图中 Ui为有波动的输入电压,并满足
Ui >UZ。 R为限流电阻,RL为负载 。
V
Z
U
i
＋
－
U
o
＋
－
R
R
L
I
L
I
Z
图 1―22 稳压二极管稳压电路下面来说明限流电阻 R的选择方法 。
由图 1―21可知,当 Ui,RL变化时,IZ应始终满足 Izmin <IZ<IZmax。 设 Ui的最小值为
Uimin,最大值为 Uimax； RL最小时 IL的最大值为 UZ/RLmin,RL最大时 IL的最小值为 UZ /
RLmin 。 由图 1―22可知,当 Ui =Uimin,RL
= RLmin时,IZ最小 。 这时应满足
m a xm i n
m i nm i n
m i n
m i n
m i n
m i n
RR
UIR
UU
R
I
R
U
R
UU
L
ZZL
Zi
Z
L
ZZi
m a xm i n
m i n
RRR
RR
UIR
UU
R
I
R
U
R
UU
L m a n
ZZ m a nL m a n
Zi m a n
Z m a n
L m a n
ZZi m a n
即即当 Ui=Uimax,RL=RLmax时,IZ最大 。 这时应满足由式 (1― 13),(1― 14),可得限流电阻的取值范围是
(1― 13)
(1― 14)
(1―15)
V
Z
U
i
＋
－
U
o
＋
－
R
R
L
I
L
I
Z
若出现 Rmin>Rmax的结果,则说明在给定条件下,已超出了 VZ管的稳压工作范围 。 这时,需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管,以满足
Rmin < Rmax 。
1―1 半导体物理基础知识
1―2 PN结及晶体二极管
1―3 晶体二极管及其基本电路
1― 1 半导体物理基础知识本征半导体原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵 (称为晶格 )。
由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，
依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。
＋ 4
共价键价电子
＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
图 1―2 单晶硅和锗的共价键结构示意图半导体中的载流子 ——自由电子和空穴在绝对零度 (-273℃ )时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。
其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图
1―3 所示。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 4＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
自由电子空穴图 1― 3本征激发产生电子和空穴在本征半导体中，由于热激发，不断地产生电子、
空穴对，使载流子浓度增加。
本征激发复合由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴。
本征载流子浓度
kTEii GeTApn 2/2/30 0
式中 ni,pi分别表示电子和空穴的浓度 (cm–3 )； T为热力学温度 (K)； EG0为 T=0K时的禁带宽度 (硅为 1.21eV,锗为 0.78eV)； k为玻尔兹曼常数 (8.63× 10–6 V/K)； A0是与半导体材料有关的常数
(硅为 3.87× 1016cm-3·K-3/2,锗为 1.76× 1016cm-3·K-3/2)。
在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为杂质半导体在本征半导体中,有选择地掺入少量其它元素,会使其导电性能发生显著变化 。 这些少量元素统称为杂质 。 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 。 根据掺入的杂质不同,有 N型半导体和 P型半导体两种 。
N型半导体在本征硅 (或锗 )中掺入少量的五价元素,如磷,砷,锑等,就得到 N型半导体 。 这时,杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键,而多出一个价电子只能位于共价键之外,如图 1― 4所示 。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 5＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
键外电子施主原子图 1―4 N型半导体原子结构示意图
P型半导体在本征硅 (或锗 )中掺入少量的三价元素,如硼,铝,铟等,就得到 P型半导体 。 这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子,它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时,只有三个共价键是完整的,第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位,如图 1--5所示 。
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
＋ 4＋ 3＋ 4
＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
空位受主原子图 1―5 P型半导体原子结构示意图杂质半导体的载流子浓度杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值 ni
的平方。即对 N型半导体，多子 nn与少子 pn
有
A
i
p
i
p
ipp
D
i
n
i
n
inn
N
n
p
n
n
nnp
N
n
n
n
p
npn
22
2
22
2
对 P型半导体，多子 pp与少子 np有
(1―2 a)
(1― 2b)
(1―3 a)
(1―3 b)
半导体中的电流在半导体中有两种电流 。
一,漂移电流在电场作用下,半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流,称为漂移电流 。 它类似于金属导体中的传导电流 。
半导体中有两种载流子 ——电子和空穴,
当外加电场时,电子逆电场方向作定向运动,
形成电子电流 In,而空穴顺电场方向作定向运动,形成空穴电流 Ip 。 虽然它们运动的方向相反,但是电子带负电,其电流方向与运动方向相反,所以 In和 Ip的方向是一致的,均为空穴流动的方向 。 因此,半导体中的总电流为两者之和,即
I=In+Ip
漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。
二,
在半导体中,因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时,载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动,
从而形成扩散电流 。
半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差 (即浓度梯度 )。 浓度差越大,扩散电流越大,而与该处的浓度值无关 。 反映在浓度分布曲线上 (见图 1―6),即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率 dn(x)/dx(dp(x)/dx)。
x0
x0
n ( 0 )
n ( x )[ p ( x )]
n
0
图 1―6 半导体中载流子的浓度分布
1―2 PN结及晶体二极管通过掺杂工艺,把本征硅 (或锗 )片的一边做成 P型半导体,另一边做成 N型半导体,
这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层,称为 PN结 。 PN结是构造半导体器件的基本单元 。 其中,最简单的晶体二极管就是由 PN结构成的 。 因此,
讨论 PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性 。
1―2―1 PN结的形成
P型半导体和 N型半导体有机地结合在一起时,因为 P区一侧空穴多,N区一侧电子多,所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差 。 于是 P区中的空穴会向 N区扩散,并在 N区被电子复合 。 而
N区中的电子也会向 P区扩散,并在 P区被空穴复合 。 这样在 P区和 N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子 。
上述过程如图 1―7(a)所示 。 结果在界面的两侧形成了由等量正,负离子组成的空间电荷区,如图 1―7(b)所示 。
P
( a )
N P
( b )
N
空间电荷区内电场
U
B
图 1― 7PN
由于空间电荷区内没有载流子,所以空间电荷区也称为 耗尽区 (层 )。 又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用,好像壁垒一样,所以又称它为 阻挡区或势垒区 。
实际中,如果 P区和 N区的掺杂浓度相同,
则耗尽区相对界面对称,称为对称结,见图
1―7(b)。 如果一边掺杂浓度大 (重掺杂 ),一边掺杂浓度小 (轻掺杂 ),则称为不对称结,用
P+N或 PN+表示 (+号表示重掺杂区 )。 这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边,如图 1--8(a),(b)所示 。
NP
＋
耗尽区
( a )
P N
＋
耗尽区
( b )
图 1―8 不对称 PN结
1―2―2 PN
一,PN
使 P区电位高于 N区电位的接法,称
PN结加正向电压或正向偏置 (简称正偏 )，
如图 1--9所耗尽区内电场
U
U
B
－ U
＋ －
R
E
图 1―9 正向偏置的 PN结二,PN结加反向电压使 P区电位低于 N区电位的接法,称 PN
结加反向电压或反向偏置 (简称反偏 )。 由于反向电压与 UB的极性一致,因而耗尽区两端的电位差变为 UB+U,如图 1― 10所示 。
耗尽区内电场
U
U
B
＋ U
R
E
＋－
图 1― 10反向偏置的 PN结三,PN
理论分析证明,流过 PN结的电流 i与外加电压
u之间的关系为
i=IS(equ/kT-1)= (1― 4)
式中,IS为反向饱和电流,其大小与 PN结的材料,制作工艺,温度等有关； UT=kT/q,称为温度的电压当量或热电压 。 在 T=300K(室温 )时,
UT =26mV。 这是一个今后常用的参数 。
)1( /?TUuS eI
由式 (1― 4)可知,加正向电压时,u只要大于 UT
几倍以上,i≈ Iseu/U-T,即 i随 u呈指数规律变化；加反向电压时,|u|只要大于 UT几倍以上,
则 i≈― IS(负号表示与正向参考电流方向相反 )。
因此,式 (1― 4)的结果与上述的结论完全一致 。
由式 (1― 4)可画出 PN结的伏安特性曲线,如图
1― 11所示 。 图中还画出了反向电压大到一定值时,反向电流突然增大的情况 。
1―2―3 PN
由图 1―11看出,当反向电压超过
UBR后稍有增加时,反向电流会急剧增大,
这种现象称为 PN结击穿,并定义 UBR为
PN结的击穿电压 。 PN结发生反向击穿的机理可以分为两种 。
u
i
0
T
T
－ U
BR
图 1―11 PN结的伏安特性一,
在轻掺杂的 PN结中,当外加反向电压时,耗尽区较宽,少子漂移通过耗尽区时被加速,动能增大 。 当反向电压大到一定值时,在耗尽区内被加速而获得高能的少子,会与中性原子的价电子相碰撞,将其撞出共价键,产生电子,
空穴对 。 新产生的电子,空穴被强电场加速后,又会撞出新的电子,空穴对 。
二,
在重掺杂的 PN结中,耗尽区很窄,
所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场 。 当反向电压大到一定值时,强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键,产生大量电子,
空穴对,使反向电流急剧增大 。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿 。
说,对硅材料的 PN结,UBR>7V时为雪崩击穿； UBR <5V时为齐纳击穿； UBR介于
5~7V时,两种击穿都有 。
1―2―4PN结的电容特性
PN结具有电容效应,它由势垒电容和扩散电容两部分组成 。
一,势垒电容从 PN结的结构看,在导电性能较好的 P
区和 N区之间,夹着一层高阻的耗尽区,这与平板电容器相似 。 当外加电压增大时,多子被推向耗尽区,使正,负离子减少,相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时,多子被推离耗尽区,使正,负离子增多,相当于存贮的电荷量增加 。
因此,耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变 。 这一特性正是电容效应,
并称为势垒电容,用 CT表示 。 经推导,CT可表示为
n
B
T
T
U
u
C
du
dQ
C
)1(
0
(1―5)
式中,CT0为外加电压 u=0时的 CT值,它由 PN结的结构,掺杂浓度等决定； UB为内建电位差； n为变容指数,与 PN结的制作工艺有关,一般在 1/3~6之间 。
二,
正向偏置的 PN结,由于多子扩散,
会形成一种特殊形式的电容效应 。 下面利用图 1--12中 P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明 。
N
区耗尽区
P 区
x
0
x0
L
n
n
p0
②
①
Δ Q
n
n
p
( 0 )
n
p
图 1―12 P区少子浓度分布曲线同理,在 N区一侧,非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化,引起存贮电荷的增加量 ΔQp。 这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性,就是电容效应,称为扩散电容,用 CD表示 。
如果引起 ΔQn,Δ Qp的电压变化量为 Δu，
则
T
nn
D
pn
D
U
I
u
Q
C
u
Q
u
Q
u
Q
C
(1―6)
对 PN+结,可以忽略 ΔQp/Δu项 。 经理论分析可得
1―2―5 PN
PN结特性对温度变化很敏感,反映在伏安特性上即为：温度升高,正向特性左移,反向特性下移,如图 1―11中虚线所示 。 具体变化规律是：保持正向电流不变时,温度每升高
1℃,结电压减小约 2~2.5mV,即
Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃
(1―7)
温度每升高 10℃,反向饱和电流 IS增大一倍 。 如果温度为 T1时,IS =IS1； 温度为 T2时,
IS =IS2,则
10/)(12 122 TTSS II
(1― 8)
u
i
0
T
T
－ U
BR
图 1―11 PN结的伏安特性
1―3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管是由 PN结加上电极引线和管壳构成的,其结构示意图和电路符号分别如图 1--13(a),(b)所示 。 符号中,接到 P型区的引线称为正极 (或阳极 )，
接到 N型区的引线称为负极 (或阴极 )。
利用 PN结的特性,可以制作多种不同功能的晶体二极管,例如普通二极管,稳压二极管,变容二极管,光电二极管等 。 其中,具有单向导电特性的普通二极管应用最广 。 本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路 。 另外,简要介绍稳压二极管及其稳压电路 。
P N
正极 负极
( a )
负极正极
( b )
图 1― 13 晶体二极管结构示意图及电路符号
(a)结构示意图； (b)电路符号
1―3―1二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特性曲线如图 1―14所示 。 实际二极管由于引线的接触电阻,P区和 N区体电阻以及表面漏电流等影响,其伏安特性与 PN结的伏安特性略有差异 。 由图可以看出,实际二极管的伏安特性有如下特点 。
u / V
0
i / mA
10
20
30
－ 5
－ 10
( μA )
－ 0,5
0,5
图 1―14
1―3―1二极管特性曲线普通二极管的典型伏安特性曲线如图 1―14所示 。 实际二极管由于引线的接触电阻,P区和 N区体电阻以及表面漏电流等影响,其伏安特性与 PN结的伏安特性略有差异 。 由图可以看出,实际二极管的伏安特性有如下特点 。
一,正向特性正向电压只有超过某一数值时,
才有明显的正向电流 。 这一电压称为导通电压或死区电压,用 UD(on)表示 。 室温下,硅管的 UD(on) =(0.5~0.6)V,锗管的
UD(on) =(0.1~0.2)V。
正向特性在小电流时,呈现出指数变化规律,电流较大以后近似按直线上升 。 这是因为大电流时,P区,N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了,使电流,电压近似呈线性关系 。
二,反向特性由于表面漏电流影响,二极管的反向电流要比理想 PN结的 IS大得多 。 而且反向电压加大时,反向电流也略有增大 。 尽管如此,对于小功率二极管,其反向电流仍很小,硅管一般小于 0.1μA，
锗管小于几十微安 。
两极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响，均与 PN结相同。
1―3―2 二极管的主要参数器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据,是我们合理选择和正确使用器件的依据 。 参数一般可以从产品手册中查到,也可以通过直接测量得到 。 下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义 。
一,直流电阻 RD
RD定义为：二极管两端所加直流电压 UD与流过它的直流电流 ID之比,即
RD不是恒定值,正向的 RD随工作电流增大而减小,反向的 RD随反向电压增 大 而 增 大 。 RD 的 几 何 意 义 见 图
1―15(a),即 Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数 。 显然,图中 Q1点处的 RD小于 Q2
点处的 RD 。
D
D
D I
UR? (1― 9)
0 U
D
u
I
D
u
( a )
i
Q
1
Q
2
0 u
( b )
i
Q
Δ i
图 1― 15
(a)直流电阻 RD； (b)交流电阻 rD
二,交流电阻 rD
rD定义为：二极管在其工作状态
(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比,即
DQDQDQDQ UIUID di
du
I
Ur
,,
(1― 10)
rD的几何意义见图 1― 15(b),即二极管伏安特性曲线上 Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数 。
rD可以通过对式 (1― 4)求导得出,即
DQ
T
QUu
S
T
QD I
U
eI
U
di
dur
T
/
(1―11)
可见 rD与工作电流 IDQ成反比,并与温度有关 。 室温条件下 (T=300K):
通过对二极管交,直流电阻的分析可知,由于二极管的非线性伏安特性,
所以交,直流电阻均是非线性电阻,即特性曲线上不同点处的交,直流电阻不同,同一点处交流和直流电阻也不相同 。
)(
)(26
mI
mr
DQ
D
(1―12)
三,最大整流电流 IF
IF指二极管允许通过的最大正向平均电流 。 实际应用时,流过二极管的平均电流不能超过此值 。
四,最大反向工作电压 URM
URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压,超过此值容易发生反向击穿 。 通常取 UBR的一半作为 URM 。
五,反向电流 IR
IR指二极管未击穿时的反向电流 。 IR越小,单向导电性能越好 。 IR与温度密切相关,
使用时应注意 IR的温度条件 。
六,最高工作频率 fM
fM是与结电容有关的参数 。 工作频率超过 fM时,二极管的单向导电性能变坏 。
需要指出,由于器件参数分散性较大,
手册中给出的一般为典型值；必要时应通过实际测量得到准确值 。 另外,应注意参数的测试条件,当运用条件不同时,应考虑其影响 。
1―3―3晶体二极管模型依据二极管的实际工作条件,引出工程上便于分析的二极管模型 。
u
i
0C U
D (o n )
BB
0
A
1
A
2
( a ) ( b )
1 2
U
D (o n )
r
D (o n )
U ≥ U
D (o n )
U ＜ U
D (o n )
图 1― 16二极管特性的折线近似及电路模型图 1― 16二极管特性的折线近似及电路模型
( c )
1 2
U
D (o n )
U ≥ U
D (o n )
U ＜ U
D (o n )
( d )
1 2
U ≥ 0U ＜ 0
1―3―4
利用二极管的单向导电特性,可实现整流,限幅及电平选择等功能 。
一,
把交流电变为直流电,称为整流 。 一个简单的二极管半波整流电路如图 1―17(a)所示 。
若二极管为理想二极管,当输入一正弦波时,
由图可知：正半周时,二极管导通 (相当开关闭合 ),uo=ui； 负半周时,二极管截止 (相当开关打开 ),uo =0。 其输入,输出波形见图
1―17(b)。 整流电路可用于信号检测,也是直流电源的一个组成部分 。
t
t
u
o
0
u
i
0
( b )
V
u
i
＋
－
u
o
＋
－
R
L
( a )
图 1― 17
(a)电路； (b)输入、输出波形关系二,二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路,它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路,常用于波形变换和整形 。 限幅电路的传输特性如图 1―18所示,
u
i
0
U
IL
u
o
U
o m ax
U
o m i n
U
IH
图 1― 18 限幅电路的传输特性
t
V
u
i
＋
－
u
o
＋
－
R
( a )
E
2V
u
i
/ V
0
( b )
5
－ 5
t
u
o
/ V
0
－ 5
2,7
图 1― 19
(a)电路； (b)输入,输出波形关系三,
从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路,称为电平选择电路 。
一种二极管低电平选择电路如图 1―20(a)
所示 。 设两路输入信号 u1,u2均小于 E。
表面上看似乎 V1,V2都能导通,但实际上若 u1 < u2,则 V1导通后将把 uo限制在低电平 u1上,使 V2截止 。 反之,若 u2 < u1,
则 V2导通,使 V1截止 。 只有当
u1 = u2时,V1,V2才能都导通 。
可见,该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号 。 图 1―20(b)画出了当 u1,u2为方波时,输出端选出的低电平波形 。 如果把高于 2.3V的电平当作高电平,并作为逻辑 1,把低于 0.7V的电平当作低电平,并作为逻辑 0,由图
1―20(b)可知,输出与输入之间是逻辑与的关系 。 因此,当输入为数字量时,
该电路也称为与门电路 。
V
1
u
1
＋
－
u
o
( a )
V
2
E
R
u
2
t
t
t
( b )
u
o
/ V
0
3,7
u
1
/ V
3
0
u
2
/ V
3
0
0,7
图 1― 20
(a)电路； (b)输入,输出波形关系将图 1―20(a)电路中的 V1,V2反接,
将 E改为负值,则变为高电平选择电路 。
如果输入也为数字量,则该电路就变为或门电路 (见习题 1―8)。
1―3―5稳压二极管及稳压电路稳压二极管是利用 PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管,其除了可以构成限幅电路之外,主要用于稳压电路 。
一,
稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图 1―21所示 。 由图可见,它的正,反向特性与普通二极管基本相同 。 区别仅在于击穿后,
特性曲线更加陡峭,即电流在很大范围内变化时 (IZmin<I<IZmax),其两端电压几乎不变 。
u
i
0
T
T
－ U
BR
Umin
Umax
这表明,稳压二极管反向击穿后,
能通过调整自身电流实现稳压 。
稳压二极管击穿后,电流急剧增大,使管耗相应增大 。 因此必须对击穿后的电流加以限制,以保证稳压二极管的安全 。
二,
1.稳定电压 UZ
UZ是指击穿后在电流为规定值时,
管子两端的电压值 。 由于制作工艺的原因,即使同型号的稳压二极管,UZ的分散性也较大 。 使用时可通过测量确定其准确值 。
2 PZ
PZ是由管子结温限制所限定的参数 。 PZ与 PN结所用的材料,结构及工艺有关,使用时不允许超过此值 。
3 IZ
IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流 。 工作电流小于此值时,稳压效果差,大于此值时,稳压效果好 。 稳定电流的最大值 IZmax 有 一 限 制,即 IZmax
=PZ/UZ。 工作电流不允许超过此值,否则会烧坏管子 。 另外,工作电流也有最小值 IZmax的限制,小于此值时,稳压二极管将失去稳压作用 。
4 动态电阻 rZ
rZ是稳压二极管在击穿状态下,
两端电压变化量与其电流变化量的比值 。
反映在特性曲线上,是工作点处切线斜率的倒数 。 rZ随工作电流增大而减小 。
rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆 。
5 温度系数 α
α是反映稳定电压值受温度影响的参数,用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示 。
三,稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图 1―22所示 。 图中 Ui为有波动的输入电压,并满足
Ui >UZ。 R为限流电阻,RL为负载 。
V
Z
U
i
＋
－
U
o
＋
－
R
R
L
I
L
I
Z
图 1―22 稳压二极管稳压电路下面来说明限流电阻 R的选择方法 。
由图 1―21可知,当 Ui,RL变化时,IZ应始终满足 Izmin <IZ<IZmax。 设 Ui的最小值为
Uimin,最大值为 Uimax； RL最小时 IL的最大值为 UZ/RLmin,RL最大时 IL的最小值为 UZ /
RLmin 。 由图 1―22可知,当 Ui =Uimin,RL
= RLmin时,IZ最小 。 这时应满足
m a xm i n
m i nm i n
m i n
m i n
m i n
m i n
RR
UIR
UU
R
I
R
U
R
UU
L
ZZL
Zi
Z
L
ZZi
m a xm i n
m i n
RRR
RR
UIR
UU
R
I
R
U
R
UU
L m a n
ZZ m a nL m a n
Zi m a n
Z m a n
L m a n
ZZi m a n
即即当 Ui=Uimax,RL=RLmax时,IZ最大 。 这时应满足由式 (1― 13),(1― 14),可得限流电阻的取值范围是
(1― 13)
(1― 14)
(1―15)
V
Z
U
i
＋
－
U
o
＋
－
R
R
L
I
L
I
Z
若出现 Rmin>Rmax的结果,则说明在给定条件下,已超出了 VZ管的稳压工作范围 。 这时,需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管,以满足
Rmin < Rmax 。
