二极管及其基本电路总结

2023-10-13 10:35| 来源: 网络整理| 查看: 265

【模电笔记】03二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识3.1.1 半导体材料3.1.2 半导体的共价键结构3.1.3 本征半导体3.1.4 杂质半导体 3.2 PN结的形成及特性3.2.1 载流子的漂移与扩散3.2.2 PN结的形成3.2.3 PN结的单向导电性3.2.4 PN结的反向击穿3.2.5 PN结的电容效应 3.3 二极管3.3.1 二极管的结构3.3.2 二极管的 *I-V* 特性3.3.3 二极管的主要参数 3.4 二极管的基本电路及其分析方法3.4.1图解分析方法3.4.2简化模型分析方法 3.5 特殊二极管3.5.1 齐纳二极管3.5.2 变容二极管3.5.3 肖基特二极管3.5.4 光电器件

3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等。

3.1.2 半导体的共价键结构

硅、锗原子的原子结构简化模型和晶体结构

3.1.3 本征半导体

在本征半导体内，自由电子和空足总是成对出现，它的电导率随温度的升高而增加。

本征半导体：化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴：共价键中的空位。空穴电子对：由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动：移动方向与电子移动方向相反，用于表示电子移动产生的电流。

3.1.4 杂质半导体

（1）P型半导体 P是Positive首字母，因该类型半导体中参与导电的多数载流子为带正电的空穴而得名。在本征半导体（如硅）内掺入微量三价元素（如硼）可以获得。

在P型半导体中，空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质（给空穴）。空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

（2）N型半导体 N是Negative的首字母，因该类型半导体中参与导电的多数载流子为带负电的自由电子而得名。在本征半导体（如硅）内掺入微量五价元素（如磷、砷、锑）可以获得。

在N型半导体中，五价杂质原子带正电成为正离子，五价杂质原子也被称为施主杂质（给电子）。自由电子是多数载流子，主要由杂质原子（摻杂）提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。

3.2 PN结的形成及特性 3.2.1 载流子的漂移与扩散

漂移：由电场作用引起的载流子的作用。扩散：由载流子浓度差引起的载流子的运动。

3.2.2 PN结的形成

首先要明确，P型和N型中受本征激发产生的自由电子和空穴，通常要比摻杂产生的载流子少得多。其次，在一块本征半导体的不同区域分别掺入三价和五价杂质元素，形成了P型区和N型区。由于浓度差异，空穴和电子将在P型区和N型区进行扩散运动。

接着，进行扩散的载流子（P区空穴，N区自由电子）在P型区和N型区交界处进行复合，即消耗掉了。此时，交界处不能移动的带电离子形成了一个空间电荷区（薄），，PN结就是这样的空间电荷区。

最后，载流子的扩散运动能不能一直进行直至消耗完呢？当然不能，因为形成的内电场会作用于载流子产生漂移运动，它阻止多子扩散，促进少子漂移。容易知道，载流子的漂移运动刚好与扩散运动方向相反。扩散运动的结果是使空间电荷区变宽（不断地耗尽载流子）漂移运动地结果是使空间电荷区变窄（把耗尽地部分载流子补回原位）直至漂移运动与扩散运动达到动态平衡，这也是PN结很薄地原因。

3.2.3 PN结的单向导电性

PN结的单向导电性只有在外加电压时才体现出来。先明确，半导体的阻值主要体现在PN结的宽度上，PN结窄电阻小，PN结宽电阻大。（1）外加正向电压外加正向电压就是P区接高电位，N区接低电位。结果是增强扩散运动，削弱漂移运动，使得空间电荷区变窄，阻值减小。尽管此时还存在漂移运动产生的漂移电流，但和正向电流比起来可以完全忽略。这个世界弱者就是这么渺小。

（2）外加反向电压外加反向即P区接低电位，N区接高电位。多数载流子背离PN结，往外加电源去。因此，空间电荷区变宽，阻值增大，扩散电流趋近于０。但是，P区和N区的少数载流子会由漂移运动产生漂移电流，方向与扩散电流方向相反，电流不大。有种老虎不在家，猴子当霸王的感觉，但猴子始终还是猴子。

3.2.4 PN结的反向击穿

反向击穿包括热击穿和电击穿两类。热击穿是因为外加反向电压过大，使得PN结温度升高以致烧毁，是不可逆的；电击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿，它们是可逆的。相同点是，都是通过外加反向电压打破共价键的束缚而获得更多的载流子，使得反向电流增大，但没有破坏共价键本身。不同点是，齐纳击穿的PN结掺杂浓度较高，而雪崩击穿的PN结掺杂浓度较低。