半导体二极管及其应用

1、5.1 半导体的基础知识半导体的基础知识5.2 半导体二极管半导体二极管5.3 单相整流滤波电路单相整流滤波电路5.4 稳压二极管及其稳压电路稳压二极管及其稳压电路5.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 5.1.1 半导体材料半导体材料 5.1.2 本征半导体本征半导体 5.1.3 杂质半导体杂质半导体半导体的导电机制半导体的导电机制 5.1.4 pnpn结的形成及特性结的形成及特性 5.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅si和和锗锗ge

2、以及以及砷化镓砷化镓gaas等。等。半导体有半导体有温敏、光敏温敏、光敏和和掺杂掺杂等导电特性。等导电特性。 5.1.2 本征半导体本征半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构1、半导体的共价键结构半导体的共价键结构5.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。电子空穴对电子空穴对由由热激发热激发而而产生的自由电子和空穴对产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依

3、次充填空穴来实现的。2、本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子5.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体中虽然存在两种本征半导体中虽然存在两种载流子载流子，但因，但因本征载流子本征载流子的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。 t=300 k室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 2本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高

4、，有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。 5.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。使半导体的导电性发生显著变化。 t=300 k室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 2某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征

5、半导体称为杂质半导体杂质半导体。 5.1.3 杂质半导体杂质半导体 n型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。的半导体。 p型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。的半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。 1. n型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，

6、而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。 在在n型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。 2. p型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共

7、价键中留下一个空穴。一个空穴。 在在p型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺它主要由掺杂形成杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 3. 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响 t=300 k室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个

8、浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 n 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3掺入杂掺入杂 质，不仅本征半导体的导电能力有很大的质，不仅本征半导体的导电能力有很大的提高，而且使其导电特性的稳定性（主要对温度提高，而且使其导电特性的稳定性（主要对温度变化）更强。变化）更强。 4. 杂杂质半导体载流子的漂移运动和扩散运动质半导体载流子的漂移运动和扩散运动漂移运动：漂移运动：在电场作用下半导体中载流子的定向运在电场作用下半导体中载流子的定向运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。 当半导

9、体局部光照或有载流子从外界流入，半当半导体局部光照或有载流子从外界流入，半导体内载流子浓度分布将不均匀，载流子会从浓度导体内载流子浓度分布将不均匀，载流子会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。高的区域向浓度低的区域运动。扩散运动：扩散运动：因浓度差而引起载流子的定向运动因浓度差而引起载流子的定向运动.扩扩散运动产生的电流称为扩散电流。散运动产生的电流称为扩散电流。 半导体的载流子的运动是杂乱无章的热运动，半导体的载流子的运动是杂乱无章的热运动，不形成电流不形成电流.5.1.4 pn结的形成及特性结的形成及特性1. pn结的形成结的形成2. pn结的单向导电性结的单向导电性 3. pn结的其他特性

10、结的其他特性4. pn结的高频等效电路及最结的高频等效电路及最高工作频率高工作频率1. pn结的形成结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成n型半导体和型半导体和p型半导体。此时，将在型半导体。此时，将在n型半导体型半导体和和p型半导体的结合面上形成型半导体的结合面上形成pn结结。将在将在n型和型和p型半导体的结合面上发生如下物理过程型半导体的结合面上发生如下物理过程: : 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多

11、子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 对于对于p型半导体和型半导体和n型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为pn结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 2. pn结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使pn结中结中p区的电位高于区的电位高于n区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 (

12、1) pn结加正向电压时结加正向电压时pn结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 2. pn结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使pn结中结中p区的电位高于区的电位高于n区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 (2) pn结加反向电压时结加反向电压时pn结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度

13、是一定的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 pn结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； pn结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：pn结具有单结具有单向导电性。向导电性。 2. pn结的单向导电性结的单向导电性 (3) pn结结v- i 特性表达式特性表达式其中其中

14、id/ma1.00.50.51.00.501.0 d/vpn结的伏安特性结的伏安特性id/ma1.00.5id=is0.51.00.501.0 d/v)1(/sdd tvveiiis 反向饱和电流反向饱和电流vt 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（t=300k）v026. 0 qktvtmv 26 3. pn结的其他特性结的其他特性 当当pn结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为pn结的结的反向反向击穿。击穿。idovbr d热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击

15、穿电击穿可逆可逆 1 pn结的反向击穿结的反向击穿 (1) 势垒电容势垒电容cb势垒电容示意图势垒电容示意图2 pn结的电容效应结的电容效应 3. pn结的其他特性结的其他特性(2) 扩散电容扩散电容cd扩散电容示意图扩散电容示意图 3. pn结的其他特性结的其他特性(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a其中其中r二极管等效电阻二极管等效电阻c 二极管等效电容，二极管等效电容，pf 级，非常小。级，非常小。c的阻抗的阻抗1/(c)可见，频率可见，频率越高，越高， c的阻抗越小；的阻抗越小；当当， c的阻抗的阻抗 0；结果，影响到二极管的状态；结果，影响到二极管的状态； 3. pn结的

16、其他特性结的其他特性 3. pn结的其他特性结的其他特性3. 温度特性温度特性 当环境温度升高时，少数载流子的数目增多，当环境温度升高时，少数载流子的数目增多，反向饱和电流随之增大。反向饱和电流随之增大。4. 电阻特性电阻特性 非线性电阻特性非线性电阻特性pn结正偏时，结正偏时，pn结导通，结导通，电阻较小；电阻较小；pn结反偏时，结反偏时，pn结截止，电阻较大。结截止，电阻较大。 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念及知识点本节中的有关概念及知识点 自由电子、空穴自由电子、空穴 n型半导体、型半导体、p型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子

17、pn结的形成结的形成 pn结的单向导电性结的单向导电性5.2 半导体二极管半导体二极管 5.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 5.2.2 二极管的伏安特性及其参数二极管的伏安特性及其参数 5.2.3 二极管的等效电路二极管的等效电路实物图片实物图片 5.2.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在pn结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 pn结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检

18、波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造艺中。艺中。pn 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 pn结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线pnp 型支持衬底型支持衬底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a 5.2.2 二极

19、管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/sdd tvveii0 d/v0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40id/ aid/ma死区死区vthvbr硅二极管硅二极管2cp102cp10的的v v- -i i 特性特性0 d/v0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40id/ aid/mavthvbr锗二极管锗二极管2ap152ap15的的v v- -i i 特性特性+idvd-r正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性 5.2.2

20、 二极管的参数二极管的参数(1) 最大整流电流最大整流电流if+idvd-r 5.2.2 二极管的参数二极管的参数(2) 反向击穿电压反向击穿电压vbr和最大反向工作电压和最大反向工作电压vrmidovbr dvrm =0.5vbr为了保证二极管安全工作：为了保证二极管安全工作：(3) 反向饱和电流反向饱和电流i is s 5.2.2 二极管的参数二极管的参数(4) 正向压降正向压降vfv 70on.硅v（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）v 3 . 0on锗v（锗（锗 二极管典型值）二极管典型值）导通压降：id/ma1.00.50.51.00.501.0 d/vpn结的伏安特性结的伏安特性i

21、d/ma1.00.5id=is0.51.00.501.0 d/v+idvd-r 5.2.2 二极管的参数二极管的参数(5) 极间电容极间电容cb或或 最高工作频率最高工作频率c的阻抗的阻抗1/(c) 5.2.2 二极管的等效电路二极管的等效电路(1) 理想二极管等效电路理想二极管等效电路(2) 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路忽略二极管的正向压降和反向电流忽略二极管的正向压降和反向电流考虑二极管的正向压降，硅管：考虑二极管的正向压降，硅管：ud（on）=0.7v 锗管：锗管：ud（on）=0.3v例例 二极管门电路如图所示，二极管门电路如图所示，a、b为输入端，为输入端，f为输出为

22、输出端，根据输入信号波形分析各二极管的工作状态，并端，根据输入信号波形分析各二极管的工作状态，并该电路的输出波形该电路的输出波形 半导体二极管图片end补充知识补充知识 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 2 应用举例应用举例id/ma1.00.50.51.00.501.0 d/vpn结的伏安特性结的伏安特性id=(vdd-vdd)/rid/ma1.00.50.51.00.501.0 d/vpn结的伏安特性结的伏安特性vdd)1(/sdd tvveii 1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 1. 理想模型理想模型3.

23、折线模型折线模型 2. 恒压降模型恒压降模型k阴极阴极阳极阳极a 1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 1. 理想模型理想模型0 0 0 oddddvvvvv压降为二极管开路时的外加二极管的压降 o/v 斜斜率率 d/v 1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 2. 恒压降模型恒压降模型ondondondd ovvvvvvvv压降为二极管开路时的外加二极管的压降 o/vvon 斜斜率率 i/vvonv 70on.硅v（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）v 3 . 0on锗v（锗（锗 二极管典型值）二极管典型值）导通压降： 4. 小信号模型小信号模型(感兴趣自学）感兴趣自学）

24、二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。dddivr 即即)1(/sdd tvveii根据根据得得q点处的微变电导点处的微变电导qdvdigddd qvvttevi/sd tvid dd1gr 则则divt 常温下（常温下（t=300k）)ma()mv(26dddiivrt 1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 2 应用举例应用举例 1. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析v 0d vma 1/ddd rvi理想模型理想模型（r=10k ）（1）vdd=10v 时时m

25、a 930onddd./ )(rvvi恒压模型恒压模型v 70on.硅v+ didvdd+ didvddvd（2）vdd=1v 时时v 0dvma 10ddd./rvi理想模型理想模型ma 030onddd./ )(rvvi恒压模型恒压模型v 70ond.硅vv结论：结论：当当vi10 von时，用理想模型。时，用理想模型。 当当vi 接近接近 von时，用恒压降模型。时，用恒压降模型。例例2.4.2 提示提示 2 应用举例应用举例 2. 限幅电路限幅电路时 v 73 1refoni.)()(vvv时 v 73 2refoni.)()(vvv o +vref i +r o +vonvref i

26、 +r o +d(a)(b)vref i +r o +vonvref i +r o/v o/v t t 斜率斜率vref+von=3.7 v i/v(c)(d)3.7 v5.3 单相整流滤波电路单相整流滤波电路 5.3.1 单相半波整流电路单相半波整流电路 5.3.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 5.3.3 滤波电路滤波电路1. 单相半波整流电路单相半波整流电路1）电路的组成及工作原理图所示为单相半波整流电路。由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。 5.3.1 单相半波整流电路单相半波整流电路直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即2）负载上的直流电

27、压和直流电流/22220122sin0.45touuwtdtuut流过负载rl上的直流电流为20.45/oolluiurr当二极管截止时，它承受的反向峰值电压urm是变压器次级电压的最大值，即3）整流二极管参数由图可知,流过整流二极管的平均电流iv与流过负载的电流相等,即20.45/voliiu r22rmuu2. 单相桥式整流电路单相桥式整流电路1）电路的组成及工作原理 桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,如图所示。由图(a)可见,四个二极管接成了桥式,在四个顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载rl,不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。输出波形如图所示。单相桥式整流电路单相桥

28、式整流电路单相桥式电路的电流通路单相桥式电路的电流通路桥式整流电路输出波形图桥式整流电路输出波形图2）负载上的直流电压和直流电流 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。20.9ouu20.9/oolluiurr3）整流二极管的参数 在桥式整流电路中,因为二极管v1、v3和v2、v4在电源电压变化一周内是轮流导通的,所以流过每个二极管的电流都等于负载电流的一半,即210.45/2voliiur每个二极管在截止时承受的反向峰值电压为:22rmuu电路的优点： 桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提高了1倍,同时输出电压波动小,因此桥式整流电路得到了广泛应用。电路的缺点：二极

29、管用得较多，电路连接复杂，容易出错，为了解决这一问题，生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆. 滤波电路滤波电路常见的电路形式如图所示1）电容滤波电路 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波整流的两倍。a) 电路组成及工作原理 图为单相半波整流电容滤波电路,它由电容c和负载rl并联组成。半波整流电容滤波电路及波形其工作原理如下: 当u2的正半周开始时，若u2uc(电容两端电压)，整流二极管v因正向偏置而导通，电容c被充电：由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uc和u2变化同步。当t=/2时，u2达到峰值，c两端的电压也近似充至 u2 值。 在桥式整流电路中加电容进行滤波器与半波整流滤波

30、电路工作原理是一样的,不同点是在u2全周期内,电路中总有二极管导通,所以u2对电容c充电两次,电容器向负载放电的时间缩短,输出电压更加平滑,平均电压值也自然升高。这里不再赘述。桥式整流电容滤波电路及波形如图所示。2b）负载上电压的计算2211.1(ouuu半波）21.2(35)t(oluurc半波、全波）半波）(35)(2ltrc 桥式、全波）c) 元件选择 电容选择: 滤波电容c的大小取决于放电回路的时间常数, rlc愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取rlc为脉动电压中最低次谐波周期的35倍。(35)t(lrc 半波）d) 电容滤波的特点 电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小。但在接通

31、电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流称为“浪涌电流”;同时,因负载电流太大,电容器放电的速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波电路只适用于负载电流较小的场合。2）电感滤波电路电感滤波电路 电感线圈l和负载的串联电路,同样具有滤波作用,电路如图所示。整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流分量叠加而成。因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线圈上,这样在负载rl得到比较平滑的直流电压。电感滤波电路的输出电压为20.9ouu桥式整流电感滤波电路及波形5.4 特殊体二极管特殊体二极管 5.4.1 稳压二极管稳压二极管 5.4.2 光电子

32、器件光电子器件1. 光电二极管光电二极管2. 发光二极管发光二极管3. 激光二极管激光二极管5.4.1 稳压二极管稳压二极管1. 稳压特性稳压特性(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压时工作在反向电击穿状态。 iz很大，很大， vz很小。很小。(1) 稳定电压稳定电压vz(2) 动态电阻动态电阻rz 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流iz下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rz = vz / iz(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 pzm vz iz(4)