第1章_晶体二极管.ppt

§1.1 半导体的基本知识 半导体的共价键结构： 1、原子结构： 2、共价键： 二、本征激发和复合 三、热平衡载流子浓度 §1．2 PN结的形成及特性 §1.2.2 PN结的单向导电性 §1．3 晶体二极管电路的分析 一、数学模型（适用于工程分析） §1.4 晶体二极管的应用 单向导电性：整流、限幅 反向击穿特性：稳压 当外加电压VR的正端接N区，负端接P区，外加电场方向与PN结内电场方向相同。在这种外电场作用下，P区中的空穴和N区中山电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，这时PN结处于反向偏置。 二、反向特性： 外加电压将使PN结电场增加，这样P区和N区中的多数载流子就更难越过势垒，因此扩散电流趋近于零。但是，由于结电场的增加，使N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，在这种情况下，PN结内的电流由起支配地位的漂移电流所决定。 变厚 IR － － － － + + + + R VR P区 N区 Ei ER 漂移电流的方向与扩散电流相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流IR，它是由少数裁流子的漂移运动形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以IR是很微弱的，一般为微安数量级。同时，少数载流子是由本征激发产生的，当管子制成后，其数值决定于温度，而几乎与外加电压VR无关。在一定温度下，由于热激发而产生的少数载流子的数量是一定的，电流的值趋于恒定。这时的反向电流IR就是反向饱和电流IS用表示。 由于IS很小，所以PN结在反向偏置时，呈现出一个很大的电阻，此时可认为它基本还是不导电的。但因Is受温度的影响较大，在某些实际应用中， 还必须予以考虑。 死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V VBR 导通压降: 硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V UD ID IR= -IS 由此看来，PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，这就是它的单向导电性。 三、PN结的伏安（V-I）特性： 根据理论分析，PN结的V-I特性可表达为: VT=kT／q称为温度的电压当量 其中k为波耳兹曼常数(1．38*10-23J／K)，T为热力学温度， q为电子电荷(1．6*10-19 C) 常温下VT＝26mV Is为反向饱和电流。对于分立器件，其典型值约在10-8～10-11A的范围内。集成电路中的二极管PN结，其Is值则更小。 V-I特性，说明如下： (a)：VD=0，iD=0 (b)：当二极管的PN结两端加正向电压时：当VDVT，Exp（VD／VT）1，所以，二极管的电流iD与电压VD成指数关系。 (c)：当二极管加反向电压时：若∣VD∣＞＞VT时，指数项趋近于零，因此,iD≈-Is。可见反向饱和电流是个常数Is，不随外加反向电压的大小而变动；但因Is受温度的影响。 §1.2.3 PN结的击穿特性 PN结的V-I特性曲线，当PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。这个现象就称为PN结的反向击穿(电击穿)。发生击穿所需的反向电压VBR称为反向击穿电压。 PN结电击穿从其产生原因又可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。 一、雪崩击穿： 当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴，将不断地与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞，可使共价键中的电子激发形成自由电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子—空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。 雪崩击穿多发生在杂质浓度较低的二极管，一般需要比较高的电压（＞6V），击穿电压与浓度成反比。 二、齐纳击穿： 在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子—空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2*105V／cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大，因而空间电荷区很窄，电场强度就可能很高。一般整流二极管掺杂浓度没有这么高，它在电击穿中多数是雪崩击穿造成的。 齐纳击穿多数出现在杂质浓度较高的二极管，如稳压管(齐纳二极管)。 必须指出，上述两种电击穿过程是可逆的，