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原文请前往 https://blog.csdn.net/qq_42635142/article/details/88073764 晶体二极管 1.1 半导体物理知识1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体一、N型半导体二、P型半导体三、杂质半导体的热平衡 1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流扩散与扩散电流 1.2 PN结PN结的形成：PN结形成物理过程：内建电位差 ：阻挡层宽度 PN结的伏安特性正向特性反向特性伏安特性PN结的击穿特性雪崩击穿齐纳击穿 稳压二极管PN结温度特性击穿电压的温度特性 PN结电容特性势垒电容$C_T$扩散电容$C_D$总电容 PN结的开关特性 晶体二极管电路分析方法数学模型曲线模型等效电路模型大信号模型小信号模型 晶体二极管的分析方法图解法简化分析法估算法画输出信号波形方法 晶体二极管的应用整流电路稳压电路限幅电路（削波电路）钳位电路 1.1 半导体物理知识 常见半导体材料Ⅳ族单质半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物Ⅱ-Ⅵ族化合物例如Ge , SiGaAs , GaNZnO , ZnS应用IC 集成电路微波光学 1.1.1 本征半导体本征半导体： 只有一种元素组成的单晶的，纯净、无杂质的半导体， 主要常见代表有硅、锗两种元素的单晶体结构。 本征半导体的激发：某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子，同时，在共价键中留下了相同数量的空穴。 本征半导体的复合：电子运动过程中，有一定机遇遇到空穴并填补空穴，并释放能量。 热平衡：在本征半导体中，激发和复合总是同时进行，而当二者在某一温度下达到动态平衡，也就是宏观上看激发形成的自由电子和空穴数量相等，即 n i = p i n_i=p_i ni=pi （自由电子浓度=空穴浓度），有公式 n i = A T 3 2 e − E g 0 2 k T n_i=AT^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{Eg_0}{2kT}} ni=AT23e−2kTEg0 其中，A是常数，k是玻尔兹曼常数 ( 8.63 × 1 0 − 5 e V / K ) , E g 0 (8.63×10^{-5}eV/K),Eg_0 (8.63×10−5eV/K),Eg0是T=0K时的禁带宽度。 符号硅锗A 3.88 × 1 0 16 3.88×10^{16} 3.88×1016 1.76 × 1 0 16 1.76×10^{16} 1.76×1016 E g 0 Eg_0 Eg0 1.21 e V 1.21eV 1.21eV 0.785 e V 0.785eV 0.785eV 1.1.2 杂质半导体 一、N型半导体“N”，在英文中是negative的首字母，negative在英文中是消极的，负面的，物理学中的解释是“负的”，所以顾名思义，N型号半导体的多子是电子。 形成机理掺杂五价元素，五价元素外层有五个电子，其中四个电子与周围硅/锗形成共价键，余下一个只需很少能量就挣脱原子束缚，变成自由电子，所以N型半导体的自由电子浓度大大增加，同时与空穴复合的几率也增大，空穴的浓度同时也更小了。掺杂元素五价元素 （如砷、磷、锑）——施主杂质多子电子少子空穴施主杂质电离提供自由电子，自身变成不可移动的正电中心 二、P型半导体“P”，在英文中是positive的首字母，positive在英文中是积极的，正面的，物理学中的解释是“正的”，所以顾名思义，P型号半导体的多子是空穴。 形成机理掺杂三价元素，当它顶替硅原子的时候，三价原子与周围硅原子形成三个共价键，就必然缺少一个价电子，因而形成一个空穴掺杂元素三价元素（硼、铟、镓等）——受主杂质多子空穴少子电子受主杂质电离提供空穴，自身变成不可移动的负电中心空穴是半导体区别于导体的载流子 三、杂质半导体的热平衡 (万能公式)两种载流子的热平衡浓度值的相乘积恒等于本征载流子浓度值 n i n_i ni的平方，即： n 0 p 0 = n i 2 n_0p_0=n_i^2 n0p0=ni2（电中性条件） 其中 n 0 n_0 n0和 p 0 p_0 p0分别是自由电子和空穴的热平衡浓度值 N d N_d Nd是施主杂质浓度， N a N_a Na是受主杂质浓度 N型半导体： n 0 = p 0 + N d n_0=p_0+N_d n0=p0+Nd 而 N d ; ; p 0 N_d;;p_0 Nd>>p0 故 n 0 ≈ N d n_0\approx N_d n0≈Nd P型半导体： n 0 + N a = p 0 n_0+N_a=p_0 n0+Na=p0 而 N a ; ; n 0 N_a;;n_0 Na>>n0 故 p 0 ≈ N a p_0\approx N_a p0≈Na 在一定温度范围内多子浓度一般取决于掺杂浓度，少子取决于温度，当温度升高到一定程度后，掺杂半导体会回复为本征半导体 1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散 漂移与漂移电流漂移：载流子在外加电场作用下运动 漂移电流：载流子在外加电场下运动产生的电流 空穴漂移电流密度： J p t = q p μ p E J_{pt}=qp\mu_{p}E Jpt=qpμpE 电子漂移电流密度： J n t = q n μ n E J_{nt}=qn\mu_nE Jnt=qnμnE 总漂移电流密度： J = J n t + J p t J=J_{nt}+J_{pt} J=Jnt+Jpt 符号物理含义取值q电子电荷量 1.6 × 1 0 − 19 C 1.6×10^{-19} C 1.6×10−19Cp空穴浓度n自由电子浓度 μ p \mu_p μp空穴迁移率（室温下）硅： μ p = 600 c m 2 / V ⋅ s \mu_p=600cm^2/V·s μp=600cm2/V⋅s锗： μ p = 1900 c m 2 / V ⋅ s \mu_p=1900cm^2/V·s μp=1900cm2/V⋅s μ n \mu_n μn自由电子迁移率（室温下）硅： μ n = 1500 c m 2 / V ⋅ s \mu_n=1500cm^2/V·s μn=1500cm2/V⋅s锗： μ n = 3900 c m 2 / V ⋅ s \mu_n=3900cm^2/V·s μn=3900cm2/V⋅s温度越高，掺杂浓度越大，迁移率就越小 空穴的迁移率比自由电子小 硅材料中的载流子比锗的小 求杂质半导体的电导率 电流 I = J S I=JS I=JS 电压 U = E ⋅ l U=E·l U=E⋅l 电阻 R = U I R=\frac{U}{I} R=IU 电阻率 ρ = R S l \rho=\frac{RS}{l} ρ=lRS ⟹ \implies ⟹ 电导率 σ = J / E = q ( p μ p + n μ n ) \sigma=J/E=q(p\mu_p+n\mu_n) σ=J/E=q(pμp+nμn) 掺杂后： Δ σ = q [ ( p + Δ p ) μ p + ( n + Δ n ) μ n ] \Delta \sigma=q[(p+\Delta p)\mu_p+(n+\Delta n)\mu_n] Δσ=q[(p+Δp)μp+(n+Δn)μn] 扩散与扩散电流扩散：由浓度差引起的载流子运动称为扩散 自由电子扩散电流的方向与浓度减小的方向想法 空穴的扩散电流方向与浓度减小方向一致 空穴扩散电流： J p d = − q D p d p ( x ) d x J_{pd}=-qD_p\frac{dp(x)}{dx} Jpd=−qDpdxdp(x) 自由电子扩散电流： J n d = q D n d n ( x ) d x J_{nd}=qD_n\frac{dn(x)}{dx} Jnd=qDndxdn(x) 由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特殊电流 半导体区别于导体的l两种特征： { 1. 有 空 穴 — 电 子 对 2. 有 扩 散 运 动 \begin{cases}1. 有空穴—电子对\\2. 有扩散运动\end{cases} {1.有空穴—电子对2.有扩散运动 1.2 PN结 PN结的形成：在一块N型半导体衬底上，通过杂志补偿原理，掺入受主杂质，使一部分半导体从N型到P型，形成PN结。 PN + ^+ +结与P + ^+ +N结： 实际上的PN结为不对称结，其中，P区掺杂浓度大于N区的称为P + ^+ +N结，N区掺杂浓度大于P区的称为PN + ^+ +结 PN结形成物理过程： P区和N区之间存在浓度差 浓度差引起多子的扩散，形成空间电荷区（多子的扩散形成的电流方向是由P到N） P区的多子空穴和N区的多子自由电子在扩散的过程中复合，形成空间电荷区。  空间电荷区有内建电场，在内建电场的作用下少子漂移（少子的漂移形成的电流方向是由N到P）   漂移阻碍扩散，随着扩散的推进，漂移作用越来越强，直至动态平衡，达到动态平衡后，通过空间电荷区的总电流为0
内建电位差 ：
达到动态平衡后，内建电场形成内建电位差 V B V_B VB V B ≈ V T l n N a N d n i 2 V_B \approx V_Tln \frac{N_aN_d}{n_i^2} VB≈VTlnni2NaNd 其中， V T = k T q V_T=\frac{kT}{q} VT=qkT V T V_T VT称为热电压，当室温为300K是， V T ≈ 26 m V V_T \approx26mV VT≈26mV 温度升高 ⟹ \implies ⟹（温度影响少子）少子浓度增大 ⟹ n i \implies n_i ⟹ni增大、 V T V_T VT增大 ⟹ n i \implies n_i ⟹ni增大占主导 ⟹ V B \implies V_B ⟹VB减小 温度没增加1℃， V B V_B VB减小约2.5mV 阻挡层宽度阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比(阻挡层宽度向低掺杂浓度一侧扩展) 即： x n x p = N a N d \frac{x_n}{x_p}=\frac{N_a}{N_d} xpxn=NdNa阻挡层宽度为 l 0 l_0 l0,则 l 0 = x n + x p = ( 2 ε q V B N a + N d N a N d ) 1 2 l_0=x_n+x_p={(\frac{2\varepsilon}{q}V_B\frac{N_a+N_d}{N_aN_d})}^{\frac{1}{2}} l0=xn+xp=(q2εVBNaNdNa+Nd)21由上式可知 温度增加 ⟹ V B \implies V_B ⟹VB减小 ⟹ l 0 \implies l_0 ⟹l0减小 PN结的伏安特性 正向特性正向偏置：P区接电源正极，N区接电源负极 （忽略引线、P区体，N区体电阻，认为外界电压全部加在阻挡层） 我们知道，内建电场的方向是N区指向P区，所以这时外界电场与内建电场方向相反，从而使内建电场减小 ( V B − V ) (V_B-V) (VB−V),于是漂移作用减弱，相应的扩散作用增强，而扩散主要是多子的作用，所以会产生较大的电流，这时，我们说PN结导通。 正偏 ⟹ V B − V \implies V_B-V ⟹VB−V ⟹ l 0 \implies l_0 ⟹l0减小 ⟹ \implies ⟹阻挡层电荷量减小 ⟹ \implies ⟹多子扩散作用增强 ⟹ \implies ⟹扩散电流增大 ⟹ \implies ⟹PN结导通 外电源不断向P区提供失去的空穴，并向N区注入电子，P区补充空穴也就是从P区拉出电子补充到N区，这样便完成了闭合回路电流的连续性。 反向特性分析同上 PN结反偏 ⟹ V B + V \implies V_B+V ⟹VB+V,内建电场增强 ⟹ l o \implies l_o ⟹lo增大 ⟹ \implies ⟹阻挡层电荷量增大 ⟹ \implies ⟹漂移作用大于扩散作用 ⟹ \implies ⟹漂移电流主导，且漂移电流以少子为主，故而漂移电流很小 ⟹ \implies ⟹PN结截止 反向电流几乎就全是由少子漂移而成，其值几乎与外加电压无关，故而反向电流又称反向饱和电流，即 I s I_s Is I s I_s Is是温度敏感参数，与温度正相关 因为温度影响少子，少子与漂移电流相关，而 I s I_s Is主要就是漂移电流 伏安特性I = I s ( e V V T − 1 ) I=I_s(e^{\frac{V}{V_T}}-1) I=Is(eVTV−1) 正偏时，I随V增大而增大，当 V ; ; V T ( V T ; 100 m V ) V;;V_T(V_T;100mV) V>>VT(VT>100mV)时，可认为 I ≈ I s ⋅ e V V T I\approx I_s·e^{\frac{V}{V_T}} I≈Is⋅eVTV 反偏时，即 V ; 0 , V = V T l n I I s V;0,V=V_Tln\frac{I}{I_s} V |
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