电子技术 空间电荷区 jO⊕⊕⊕⊕ 电场方向 图1-7PN结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷,但它们不能移动,因而不能参与 导电。在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并被复合掉了,或者说消耗 尽了,所以空间电荷区也称为耗尽层,它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场,称为内电场。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反,即对多数载流子(P区的空穴和N区的自由电子)的 扩散起阻挡作用,所以空间电荷区又称为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动,但对少数载流子(P区的电子和 N区的空穴)越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧P区和N区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充,其作用与扩散运动相反 由此可见,PN结的形成过程中存在着两种运动:一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动,另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约,最终,从P区扩散到N区的空穴数与从N区漂移 到P区的空穴数相等,从N区扩散到P区的电子数与从P区漂移N区的电子 数相等,在一定条件下达到动态平衡,使PN结处于相对稳定状态 1.22PN结的单向导电性 FN结在没有外加电压时,其中的扩 散和漂移处于动态平衡,PN结内无电流通 过。那么在PN结两端加上外部电压后 情况会怎样? e由 (1)PN结外加正向电压将PN结 内电场 P区接电源正极,N区接电源负极,称为 外电场 PN结外加正向电压,又叫正向偏置,如图 1-8所示。PN结正向偏置时,外电场与内 电场方向相反,从而削弱了内电场,破坏 1-8PN结正向偏置
电子技术 图 1-7 PN 结的形成 空间电荷区的正负离子虽然带有电荷，但它们不能移动，因而不能参与 导电。在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并被复合掉了，或者说消耗 尽了，所以空间电荷区也称为耗尽层，它的电阻率很高。 正负离子在空间电荷区形成一个电场，称为内电场。由于内电场的方向 与扩散运动的方向相反，即对多数载流子(P 区的空穴和 N 区的自由电子)的 扩散起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。 虽然内电场阻碍多数载流子的扩散运动，但对少数载流子(P 区的电子和 N 区的空穴)越过空间电荷区进入对方区域起着推动作用。这种少数载流子在 电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动使交界面两侧 P 区和 N 区 由于扩散运动而失去的空穴和电子得到一些补充，其作用与扩散运动相反。 由此可见，PN 结的形成过程中存在着两种运动：一种是多数载流子因浓 度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂移运 动。这两种运动相互制约，最终，从 P 区扩散到 N 区的空穴数与从 N 区漂移 到 P 区的空穴数相等，从 N 区扩散到 P 区的电子数与从 P 区漂移 N 区的电子 数相等，在一定条件下达到动态平衡，使 PN 结处于相对稳定状态。 1.2.2 PN 结的单向导电性 PN 结在没有外加电压时，其中的扩 散和漂移处于动态平衡，PN 结内无电流通 过。那么在 PN 结两端加上外部电压后， 情况会怎样？ （1） PN 结外加正向电压 将 PN 结 P 区接电源正极，N 区接电源负极，称为 PN 结外加正向电压，又叫正向偏置，如图 1-8 所示。PN 结正向偏置时，外电场与内 电场方向相反，从而削弱了内电场，破坏 空间电荷区 内电场方向 P区 N区 变窄 内电场 外电场 P N E R F I 图 1-8 PN 结正向偏置
第1章常用半导体元器件 了PN结原有的动态平衡,使得空间电荷区的宽度减小,多数载流子的扩散 运动显著增强,形成较大的扩散电流,而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的PN结中,扩散电流占主导地位,N结呈现的电阻很低 在外电路中形成较大的流入P区的正向电流l (2)PN结加反向电压将PN结N区接电源正极,P区接电源负极, 称为PN结外加反向电压,又叫反向偏置,如图1-9所示。PN结反向偏置时 外电场与内电场方向相同,同样也破坏了PN结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,使得空间电荷增加,空间电荷区 变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难以进行,扩散电流趋近于零 同时,内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动,但由于少数载流子数 量很少,因此反向电流取不大,PN结呈 加宽 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 Oee BeeN 而产生的,环境温度愈高,少数载流子的 e⊕出 数量愈多。所以,温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下,少数载流子的数 外电场马一内电场 目是一定的,当电压超过某数值后,全部 少数载流子都参与导电,此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关,故称为反向饱 图1-9PN结反向偏置 和电流。 总之,外加正向电压时,PN结电阻很低,正向电流很大,PN结处于导 通状态;外加反向电压时,结电阻很高,反向电流很小,PN结处于截止状 态。这就是PN结的单向导电性。 【练习与思考】 12.1为什么说扩散运动是多数载流子的运动,漂移运动是少数载流子的运 122空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的,为什么它的电阻率很
第 1 章 常用半导体元器件 了 PN 结原有的动态平衡，使得空间电荷区的宽度减小，多数载流子的扩散 运动显著增强，形成较大的扩散电流，而少数载流子的漂移运动减弱。所以 在外加正向电压的 PN 结中，扩散电流占主导地位，PN 结呈现的电阻很低， 在外电路中形成较大的流入 P 区的正向电流 IF。 （2）PN 结加反向电压 将 PN 结 N 区接电源正极，P 区接电源负极， 称为 PN 结外加反向电压，又叫反向偏置，如图 1-9 所示。PN 结反向偏置时， 外电场与内电场方向相同，同样也破坏了 PN 结原有的动态平衡。外电场驱 使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增加，空间电荷区 变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难以进行，扩散电流趋近于零。 同时，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，但由于少数载流子数 量很少，因此反向电流 IR不大，PN 结呈 现很高的反向电阻。又因为少数载流子是 由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚 而产生的，环境温度愈高，少数载流子的 数量愈多。所以，温度对反向电流的影响 很大。由于一定温度下，少数载流子的数 目是一定的，当电压超过某数值后，全部 少数载流子都参与导电，此时反向电流几 乎与外加电压的大小无关，故称为反向饱 和电流。 总之，外加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流很大,PN 结处于导 通状态；外加反向电压时，结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截止状 态。这就是 PN 结的单向导电性。 【练习与思考】 1.2.1 为什么说扩散运动是多数载流子的运动，漂移运动是少数载流子的运 动？ 1.2.2 空间电荷区既然是由带电的正、负离子形成的，为什么它的电阻率很 高？ 加宽 内电场 外电场 P N IR » 0 E R 图 1-9 PN 结反向偏置
电子技术 1.2半导体二极管 13.1二极管的基本结构 半导体二极管是由一个PN结加上电极引出线和外壳构成的,P区一侧 引出的电极称为阳极,N区一侧引出的电极称为阴极,电路符号如图1-10a 所示。半导体二极管有很多类型。按材料的不同,常用的二极管可分为硅管 和锗管两种;按PN结结构形式的不同,又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1)点接触型二极管结构如图1-10b所示,由三价金属铝的触丝与锗 结合构成PN结。其特点是PN结的结面积很小,因而结电容小,适用于高 频(可达几百兆赫兹)电路。但不能通过较大的电流,也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路 (2)面接触型二极管结构如图1-10c所示,PN结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是PN结的结面积大,能通过较大的电流(可达几千安培), 但结电容也大,适用于频率较低的整流电路 (3)平面型二极管结构如图1-10d所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时,能通过较大的电流,适用于大功率 整流电路:结面积较小时,结电容较小,工作频率较高,适用于开关电路。 金属触丝、外壳N型锗片 阳极A 阴极K 阳极引线 阴极引线 VD PN结 a)电路符号 b)点接触型二极管 阳极引线 阳极引线 氧化硅 铝合金 PN结 保护层 金锑合金 N型硅 N型硅片 基底 阴极引线 阴极引线 c)面接触型二极管 d)平面型二极管 图1-10半导体二极管的电路符号及结构分类
电子技术 1.2 半导体二极管 1.3.1 二极管的基本结构 半导体二极管是由一个 PN 结加上电极引出线和外壳构成的，P 区一侧 引出的电极称为阳极，N 区一侧引出的电极称为阴极，电路符号如图 1-10a 所示。半导体二极管有很多类型。按材料的不同，常用的二极管可分为硅管 和锗管两种；按 PN 结结构形式的不同，又可分为点接触型、面接触型和平 面型等。 (1) 点接触型二极管 结构如图 1-10b 所示，由三价金属铝的触丝与锗 结合构成 PN 结。其特点是 PN 结的结面积很小，因而结电容小，适用于高 频（可达几百兆赫兹）电路。但不能通过较大的电流，也不能承受高的反向 电压。主要用于高频检波和开关电路。 (2) 面接触型二极管 结构如图 1-10c 所示，PN 结是用扩散法或合金法 做成的。其特点是 PN 结的结面积大，能通过较大的电流(可达几千安培)， 但结电容也大，适用于频率较低的整流电路。 (3) 平面型二极管 结构如图 1-10d 所示。它是采用先进的集成电路制 造工艺制成的。其特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率 整流电路；结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。 a) 电路符号 b) 点接触型二极管 c) 面接触型二极管 d) 平面型二极管 图 1-10 半导体二极管的电路符号及结构分类 阳极引线 阴极引线 阳极A 阴极K 金属触丝 外壳 N型锗片 PN结 VD 阳极引线 阴极引线 二氧化硅 保护层 P区 N型硅片 阳极引线 阴极引线 铝合金 PN结 N型硅 金锑合金 基底
第1章常用半导体元器件 13.2二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示 1.二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管,其参数不尽相同,但其伏安特性曲线的形状大致相同,如图1-11所示 由曲线形状可知,二极管是非线性元件,其伏安特性分为正向特性、反向特 性和反向击穿特性三部分 (1)正向特性当外加正向电 压较低时,由于外电场还不足以克服 in/mA锗管硅管 PN结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力,因此,这时的正向电流近似 为零,呈现较大的电阻。这一段(OA 段)曲线称为二极管的死区,对应的 SAJA Wp/V 电压称为死区电压,其数值与材料及 环境温度有关,硅管的死区电压约为 0.5V,锗管约为0.2V C 当正向电压超过死区电压后, 内电场被大大削弱,二极管的电阻变 图1-11二极管的伏安特性曲线 得很小,正向电流迅速增加,这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡,在正常工作范围内,正向电压变化 很小,硅二极管的正向导通压降约为060.7V,锗二极管约为0.2~0.3V,当 电流较小时取下限值,当电流较大时取上限值。 (2)反向特性当二极管上加反向电压时,少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流(OB段)。反向电流有两个特点:一是具有正温度特性 即随温度的升高而增大;二是在反向电压不超过某一范围时,反向电流的大 小基本恒定,故称为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小,前 者在几微安以下,而后者可达数百微安 (3)反向击穿特性当外加反向电压过高时(BC段),反向电流突然 增大,二极管失去单向导电性,这种现象叫作PN结的反向击穿电击穿)。 产生击穿时的反向电压称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的电场过 强,强制性地把原子的外层价电子拉出来,使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量,而将其他价电子撞击出来, 如此形成连锁反应,反向电流愈来愈大,最后使得二极管反向击穿
第 1 章 常用半导体元器件 1.3.2 二极管的伏安特性 描述电压与电流之间关系的特性称为伏安特性。二极管的伏安特性可用 伏安特性曲线和伏安特性方程两种形式来表示。 1. 二极管的伏安特性曲线 伏安特性曲线可以直观地反映出二极管的单向导电性。不同类型的二极 管，其参数不尽相同，但其伏安特性曲线的形状大致相同，如图 1-11 所示。 由曲线形状可知，二极管是非线性元件，其伏安特性分为正向特性、反向特 性和反向击穿特性三部分。 （1）正向特性 当外加正向电 压较低时，由于外电场还不足以克服 PN 结内电场对多数载流子扩散运动 的阻力，因此，这时的正向电流近似 为零，呈现较大的电阻。这一段（ OA 段）曲线称为二极管的死区，对应的 电压称为死区电压，其数值与材料及 环境温度有关，硅管的死区电压约为 0.5V，锗管约为 0.2V。 当正向电压超过死区电压后， 内电场被大大削弱，二极管的电阻变 得很小，正向电流迅速增加，这时的 二极管才真正导通。由于这段特性很陡，在正常工作范围内，正向电压变化 很小，硅二极管的正向导通压降约为 0.6~0.7V，锗二极管约为 0.2~0.3V，当 电流较小时取下限值，当电流较大时取上限值。 （2）反向特性 当二极管上加反向电压时，少数载流子的漂移运动形 成很小的反向电流（OB 段）。反向电流有两个特点：一是具有正温度特性， 即随温度的升高而增大；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大 小基本恒定，故称为反向饱和电流。一般硅管的反向饱和电流比锗管小，前 者在几微安以下，而后者可达数百微安。 （3）反向击穿特性 当外加反向电压过高时（BC 段），反向电流突然 增大，二极管失去单向导电性，这种现象叫作 PN 结的反向击穿(电击穿)。 产生击穿时的反向电压称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的电场过 强，强制性地把原子的外层价电子拉出来，使载流子数目急剧上升。而处于 强电场中的载流子又因获得强电场所供给的能量，而将其他价电子撞击出来， 如此形成连锁反应，反向电流愈来愈大，最后使得二极管反向击穿。 iD / mA uD / V 锗管 硅管 B B A A C C O 图 1-11 二极管的伏安特性曲线
电子技术 般来讲,二极管的电击穿是可以恢复的,只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后,反向电流很大,且反向电压很高,因而 消耗在二极管PN结上的功率很大,致使PN结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大,形成恶性循环,最终造成PN结因过热而烧毁(称作热击 穿)。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏 在正常工作范围内,当电源电压远 大于二极管正向导通压降时,实际工作 /mA↑ 中可将二极管近似看成理想二极管,其 伏安特性曲线如图1-12所示。二极管正 向导通时,忽略正向导通压降和电阻, 二极管相当于短路;二极管反向截止时 忽略反向饱和电流,反向电阻无穷大 二极管相当于开路。 2.二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件,其中的图1-12理想二极管的伏安特性 电流讠和两端的电压u间的函数关系 可近似用式(1-1)表示。 i=l5(e-1 (1-1) 式中,l为反向饱和电流;V为温度的电压当量,常温(7=300K)时,V 26mV;tb和Vr在式中采用同一单位 式(1-1)称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压,且 u>Vr时,式中的e作>>1,故1可略去,即正向电压与电流近似为指 数关系:当二极管外加反向电压时,如为负,若l>Vr,指数项接近于 零,故i≈l,即二极管的反向电流基本上与电压无关 13.3二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条件,是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括 (1)最大整流电流l最大整流电流又称额定正向平均电流,是指二极 管长时间使用时,允许流过的最大正向平均电流。它由PN结的面积和散热 条件决定,大功率二极管在使用时,应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时,二极管将因PN结过热而损坏 (2)最高反向工作电压Uk最高反向工作电压指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压,一般规定为反向击穿电压的一半或三分之
电子技术 一般来讲，二极管的电击穿是可以恢复的，只要外加电压减小即可恢复 常态。但普通二极管发生电击穿后，反向电流很大，且反向电压很高，因而 消耗在二极管 PN 结上的功率很大，致使 PN 结温度升高。而结温升高会使 反向电流继续增大，形成恶性循环，最终造成 PN 结因过热而烧毁(称作热击 穿)。二极管热击穿后便会失去单向导电性造成永久损坏。 在正常工作范围内，当电源电压远 大于二极管正向导通压降时，实际工作 中可将二极管近似看成理想二极管，其 伏安特性曲线如图 1-12 所示。二极管正 向导通时，忽略正向导通压降和电阻， 二极管相当于短路；二极管反向截止时， 忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大， 二极管相当于开路。 2. 二极管的伏安特性方程 二极管是一种非线性元件，其中的 电流 D i 和两端的电压 D u 间的函数关系 可近似用式（1-1）表示。 (e 1) D / T D = S - u V i I （1-1） 式中，IS为反向饱和电流； VT为温度的电压当量，常温（T =300K）时，VT =26mV；uD 和 VT在式中采用同一单位。 式(1-1)称作半导体二极管的伏安特性方程。当二极管外加正向电压，且 D VT u >> 时，式中的e 1 D / T >> u V ，故 1 可略去，即正向电压与电流近似为指 数关系；当二极管外加反向电压时，uD 为负，若 D VT u >> ，指数项接近于 零，故 D S i » I ，即二极管的反向电流基本上与电压无关。 1.3.3 二极管的主要参数 二极管的参数简要标明了二极管的性能和使用条件，是正确选择和使用 二极管的依据。主要参数包括： (1) 最大整流电流 IF 最大整流电流又称额定正向平均电流，是指二极 管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。它由 PN 结的面积和散热 条件决定，大功率二极管在使用时，应加装规定尺寸的散热片。当实际电流 超过该值时，二极管将因 PN 结过热而损坏。 (2) 最高反向工作电压UR 最高反向工作电压指保证二极管不被击穿所 允许施加的最高反向电压，一般规定为反向击穿电压的一半或三分之二。 iD / mA uD /V O 图 1-12 理想二极管的伏安特性